Drehwandler - Rotary converter

1909 500 kW Westinghouse Drehstromrichter

Ein rotierender Umrichter ist eine Art elektrischer Maschine, die als mechanischer Gleichrichter , Wechselrichter oder Frequenzumrichter fungiert .

Drehstromwandler wurden verwendet, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) oder Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln , bevor die chemische oder Festkörpergleichrichtung und -invertierung aufkam. Sie wurden häufig verwendet, um Gleichstrom für die gewerbliche, industrielle und Bahnelektrifizierung aus einer Wechselstromquelle bereitzustellen.

Funktionsprinzipien

Stromlaufplan für einen vereinfachten bipolarer Feld Gramme - Ring einphasiger zu Strom Direktdrehwandler. (Im tatsächlichen Gebrauch ist der Wandler trommelgewickelt und verwendet ein multipolares Feld .)

Verdrahtungsschema für eine vereinfachte zweiphasige zu Gleichstromdrehwandlern mit der zweiten Phase im rechten Winkel zu dem ersten verbunden ist .

Stromlaufplan für einen vereinfachten dreiphasig zu Strom Direktdrehwandler, wobei die Phasen um 120 Grad auf dem Kommutator getrennt.

Der Rotationswandler kann man sich als Motor-Generator vorstellen , bei dem sich die beiden Maschinen einen einzigen rotierenden Anker und einen Satz Feldspulen teilen . Die Grundkonstruktion des rotierenden Umrichters besteht aus einem Gleichstromgenerator (Dynamo), in dessen Rotorwicklungen in gleichmäßigen Abständen ein Satz Schleifringe angezapft ist. Wenn ein Dynamo gedreht wird, wechseln die elektrischen Ströme in seinen Rotorwicklungen ab, während er sich im Magnetfeld der stationären Feldwicklungen dreht. Dieser Wechselstrom wird mittels eines Kommutators gleichgerichtet, der es ermöglicht, dem Rotor Gleichstrom zu entnehmen. Dieses Prinzip wird ausgenutzt, indem die gleichen Rotorwicklungen mit Wechselstrom versorgt werden, wodurch die Maschine als synchroner Wechselstrommotor fungiert. Die Drehung der erregten Spulen erregt die stationären Feldwicklungen, die einen Teil des Gleichstroms erzeugen. Der andere Teil ist Wechselstrom von den Schleifringen, der vom Kommutator direkt in Gleichstrom gleichgerichtet wird . Damit ist der Rotationswandler ein Hybrid-Dynamo und ein mechanischer Gleichrichter. Bei dieser Verwendung spricht man von einem Synchron-Rotations-Umrichter oder einfach von einem Synchron-Umrichter . Die Wechselstrom-Schleifringe ermöglichen es der Maschine auch, als Lichtmaschine zu fungieren.

Die Vorrichtung kann umgekehrt werden und Gleichstrom an die Feld- und Kommutatorwicklungen angelegt werden, um die Maschine zu drehen und Wechselstrom zu erzeugen. Beim Betrieb als Gleichstrom-Wechselstrom-Maschine wird er als invertierter Drehstromrichter bezeichnet .

Eine Möglichkeit, sich vorzustellen, was in einem Wechselstrom-Gleichstrom-Drehwandler passiert, besteht darin, sich einen Drehumkehrschalter vorzustellen, der mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die mit der Stromleitung synchron ist. Ein solcher Schalter könnte die Wechselstrom-Eingangswellenform ohne jegliche magnetische Komponenten gleichrichten, außer denen, die den Schalter ansteuern. Der Drehwandler ist etwas komplexer als dieser triviale Fall, da er eher Gleichstrom liefert als den pulsierenden Gleichstrom, der nur aus dem Umkehrschalter resultieren würde, aber die Analogie kann hilfreich sein, um zu verstehen, wie der Drehwandler vermeidet, die gesamte Energie von elektrisch zu mechanisch und zurück zu elektrisch.

Der Vorteil des Rotationswandlers gegenüber dem diskreten Motor-Generator-Satz besteht darin, dass der Rotationswandler vermeidet, den gesamten Leistungsfluss in mechanische Energie und dann wieder in elektrische Energie umzuwandeln; ein Teil der elektrischen Energie fließt stattdessen direkt vom Eingang zum Ausgang, wodurch der Rotationswandler viel kleiner und leichter als ein Motor-Generator-Satz mit einer äquivalenten Leistungsfähigkeit ist. Zu den Vorteilen eines Motor-Generator-Sets gehören eine einstellbare Spannungsregelung, die den Spannungsabfall im Versorgungsnetz ausgleichen kann ; Es bietet auch eine vollständige Netzisolierung , Oberwellenisolierung, einen größeren Überspannungs- und Transientenschutz sowie einen Durchhangschutz (Brownout) durch erhöhtes Momentum.

In dieser ersten Abbildung eines Einphasen-Gleichstrom-Drehwandlers kann dieser auf fünf verschiedene Arten verwendet werden:

• Wird die Spule gedreht, können den Kollektorringen Wechselströme entnommen werden, und man spricht von einer Lichtmaschine .
• wird die Spule gedreht, kann dem Kommutator Gleichstrom entnommen werden, der als Dynamo bezeichnet wird .
• Wird die Spule gedreht, können dem Anker zwei getrennte Ströme entnommen werden, einer liefert Gleichstrom und der andere liefert Wechselstrom. Eine solche Maschine wird Doppelstromgenerator genannt .
• Wird der Kommutator mit Gleichstrom beaufschlagt, beginnt sich die Spule als kommutierter Elektromotor zu drehen und den Schleifringen kann ein Wechselstrom entnommen werden. Dies wird als invertierter Drehwandler bezeichnet (siehe Wechselrichter ).
• Wird die Maschine von außen auf Synchrondrehzahl gebracht und hat die Stromrichtung durch den Anker das richtige Verhältnis zu den Erregerspulen, dann dreht sich die Spule synchron zum Wechselstrom als Synchronmotor weiter . Dem Kommutator kann ein Gleichstrom entnommen werden. Bei dieser Verwendung spricht man von einem rotierenden Wandler .

Selbstausgleichender Dynamo

Der selbstausgleichende Dynamo ist ähnlich aufgebaut wie der ein- und zweiphasige Rotationswandler. Es wurde häufig verwendet, um eine vollständig symmetrische dreiadrige 120/240-Volt-Wechselstromversorgung zu schaffen. Der von den Schleifringen abgezogene Wechselstrom wurde in einen Transformator mit einer einzelnen mittig angezapften Wicklung eingespeist. Die mittig angezapfte Wicklung bildet den DC-Neutralleiter. Es musste von einer mechanischen Energiequelle wie einer Dampfmaschine, einem Dieselmotor oder einem Elektromotor angetrieben werden. Es könnte als rotierender Wandler betrachtet werden, der als Doppelstromgenerator verwendet wird; der Wechselstrom wurde verwendet, um den DC-Neutralleiter auszugleichen.

Geschichte

Eisenbahndrehumformer vom Illinois Railway Museum

Der Rotationswandler wurde 1888 von Charles S. Bradley erfunden . Eine typische Verwendung für diese Art von AC/DC-Wandler war die Eisenbahnelektrifizierung , bei der der Netzstrom als Wechselstrom geliefert wurde, die Züge jedoch für den Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt waren. Vor der Erfindung der Quecksilberdampfgleichrichter und Hochleistungshalbleitergleichrichter , diese Umwandlung nur erreicht werden könnte unter Verwendung von Motorgeneratoren oder rotierende Umformer.

Drehumformer erfüllten bald die Notwendigkeit, alle konkurrierenden Stromversorgungssysteme zu kombinieren , die in den 1880er und frühen 1890er Jahren auftauchten. Dazu gehörten einphasige Wechselstromsysteme, mehrphasige Wechselstromsysteme, Niederspannungs-Glühlampen, Hochspannungs-Bogenbeleuchtung und vorhandene Gleichstrommotoren in Fabriken und Straßenbahnen. Die meisten Maschinen und Geräte wurden zu dieser Zeit mit Gleichstrom betrieben, der von rotierenden Umrichterstationen für den privaten, gewerblichen und industriellen Verbrauch bereitgestellt wurde. Drehumformer lieferten Hochstrom-Gleichstrom für industrielle elektrochemische Prozesse wie die Galvanik . Stahlwerke benötigten vor Ort große Mengen an Gleichstrom für ihre Hauptwalzenantriebsmotoren. Ebenso benötigen Papierfabriken und Druckmaschinen Gleichstrom, um ihre Motoren perfekt synchron zu starten und zu stoppen, um ein Abreißen des Bogens zu verhindern.

Veralten

Die Lücke, rotierende Wandler verwenden zu müssen, wurde langsam überwunden, als ältere Systeme ausgemustert oder aufgerüstet wurden, um dem neueren AC-Universalsystem zu entsprechen. AC/DC-synchrone Rotationswandler wurden in den 1930er Jahren durch Quecksilber-Lichtbogengleichrichter und später in den 1960er Jahren durch Halbleitergleichrichter überholt . Einige der ursprünglichen Umspannwerke der New York City Subway, die synchrone Drehstromrichter verwendeten, wurden bis 1999 betrieben. Im Vergleich zu den Drehstromrichtern benötigten die Quecksilberlichtbogen- und Halbleitergleichrichter keine tägliche Wartung, manuelle Synchronisierung für den Parallelbetrieb oder qualifiziertes Personal und lieferten saubere Gleichstrom Energie. Dies ermöglichte es, dass die neuen Umspannwerke unbemannt waren und nur regelmäßige Besuche eines Technikers zur Inspektion und Wartung erforderlich waren.

Wechselstrom ersetzte Gleichstrom in den meisten Anwendungen und schließlich verringerte sich der Bedarf an lokalen Gleichstromunterstationen zusammen mit dem Bedarf an Drehwandlern. Viele Gleichstromkunden stellten auf Wechselstrom um, und es wurden Halbleiter-Gleichrichter vor Ort verwendet, um die verbleibenden Gleichstromgeräte aus der Wechselstromversorgung zu versorgen.

Siehe auch

Verweise