Электромашинные преобразователи. 
Электрические машины

Электрическую энергию одного вида можно преобразовать в электрическую энергию другого вида с помощью не только статических преобразователей (трансформаторов, полупроводниковых преобразователей), но и вращающихся электрических машин.

Электромашинные преобразователи состоят из двух машин, соединенных механически. В таком агрегате одна машина работает двигателем, а другая — генератором. Система двигатель — генератор, состоящая из двух машин постоянного тока, позволяет преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (рис. 7.9, а). С помощью двигателя постоянного тока и генератора переменного тока постоянный ток преобразуется в переменный (рис. 7.9, б). Если в режиме двигателя работает машина переменного тока, а в генераторном — машина постоянного тока, происходит преобразование переменного тока в постоянный (рис. 7.9, в). С помощью двух машин переменного тока преобразуется переменный ток одного напряжения и частоты в переменный ток другого напряжения, частоты и числа фаз (рис. 7.9, г).

Промышленностью выпускаются двухмашинные агрегаты для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Преимущество электромашинных преобразователей перед полупроводниковыми состоит в том, что они со;

Рис. 7.9. Электромашинные преобразователи.

Рис. 7.10. Умформер.

КПД двигателя и генератора, и большие габариты.

здают меньше высших гармоник и обеспечивают электроснабжение при кратковременных перерывах в питании на стороне двигателя. За счет кинетической энергии, накопленной во вращающихся частях, генератор может в течение некоторого времени отдавать энергию. Недостаток электромашинных агрегатов — сравнительно низкий КПД, равный произведению Для уменьшения габаритов двухмашинных агрегатов в некоторых случаях целесообразно объединение двух агрегатов в один. При объединении двигателя постоянного тока и генератора постоянного тока (см. рис. 7.9, а) в пазы якоря укладываются две обмотки, которые выводятся на два коллектора (рис. 7.10). В одноякорный преобразователь входят общая обмотка возбуждения, магнитная система статора и общий корпус.

Такие машины применяются для преобразования низкого напряжения постоянного тока в высокое напряжение постоянного тока, например 24 В — в 600 В. Эти преобразователи получили название умформеров. В умформере между напряжениями [Д и 1/₂ имеется жесткая связь, так как в машине имеется общий поток и общий якорь:

где N и АД — числа витков в первой и второй обмотках; а. и а₂ — числа параллельных ветвей первой и второй обмоток. Отношение (7.5) сходно с коэффициентом трансформации, и умформер работает как преобразователь — трансформатор с вращающимися обмотками. Момент, действующий на вал умформера, практически равен нулю, потому что момент машины, работающей в режиме двигателя, уравновешивается моментом генератора.

Направление токов в обмотках якоря встречное (как в трансформаторе), так как одна машина работает в режиме двигателя, а вторая — в режиме генератора. При объединении обмоток можно было бы получить снижение массы меди. Однако электрическая связь между коллекторами низшего и высшего напряжений недопустима. Если сделать напряжения на обоих коллекторах одинаковыми, то при совмещении обмоток якоря сечение общей обмотки будет стремиться к нулю, как в автотрансформаторе при коэффициенте трансформации, равном единице. Сечение обмотки будет определяться потерями в преобразователе. В идеальной машине без потерь теоретически сечение совмещенной обмотки равно нулю.

Совмещение машин переменного тока по схеме рис. 7.9, г не дает снижения массы активных материалов, так как потоки двух машин складываются, а электрическая связь между обмотками низшего и высшего напряжений недопустима. Совмещение машин по схемам рис. 7.9, бив рассмотрено в параграфе 7.3.

Принципиально преобразование энергии в машине постоянного тока не изменится, если якорь и коллектор сделать неподвижными, а вращать обмотки возбуждения и щетки. Обычно из-за плохой коммутации вращающиеся щетки и неподвижный коллектор не применяются.

С помощью вращающихся щеток можно получить оригинальные преобразователи. В 1924 г. в Англии был построен преобразователь переменного тока в постоянный, в котором для выпрямления переменного тока использовались вращающиеся щетки. Трансвертер (так назвали его изобретатели) представляет собой обращенную машину постоянного тока (рис. 7.11). Отпайки вторичной обмотки шестифазного трансформатора присоединены к коллекторным пластинам, по которым скользят щетки. Коммутация происходит в момент, когда ЭДС в короткозамкнутой секции (двух соседних фазах трансформатора) близка к нулю. Щетки вращаются синхронным двигателем СД, мощность которого идет на покрытие потерь на трение на коллекторе. Постоянный ток снимается щетками с двух колец, присоединенных к щеткам, вращающимся по коллектору.

Трансвертер имел мощность 2000 кВт и преобразовывал переменное напряжение 6,6 кВ часто той 50 Гц в постоянное напряжение 100 кВ. Трансвертер состоял из шести трехфазных масляных трансформаторов, с помощью которых со;

Рис. 7.11. Трансвертср.

здавалась 36-фазная вторичная система обмоток, выведенная на восемь неподвижных коллекторов. С каждых щеток снималось напряжение 12 500 В.

В настоящее время преобразование переменного тока высшего напряжения в постоянный ток и обратно осуществляется полупроводниковыми преобразователями и трансформаторами.