Conversor rotativo - Rotary converter
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Um conversor rotativo é um tipo de máquina elétrica que atua como retificador mecânico , inversor ou conversor de frequência .
Conversores rotativos foram usados para converter corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC), ou CC em energia CA, antes do advento da retificação e inversão de energia química ou de estado sólido . Eles eram comumente usados para fornecer energia CC para eletrificação comercial, industrial e ferroviária a partir de uma fonte de energia CA.
Princípios de operação
O conversor rotativo pode ser considerado um motor-gerador , onde as duas máquinas compartilham uma única armadura rotativa e um conjunto de bobinas de campo . A construção básica do conversor rotativo consiste em um gerador CC (dínamo) com um conjunto de anéis coletores encaixados nos enrolamentos do rotor em intervalos uniformemente espaçados. Quando um dínamo é girado, as correntes elétricas nos enrolamentos do rotor se alternam à medida que ele gira no campo magnético dos enrolamentos do campo estacionário. Esta corrente alternada é retificada por meio de um comutador que permite a extração de corrente contínua do rotor. Este princípio é aproveitado ao energizar os mesmos enrolamentos do rotor com energia CA, o que faz com que a máquina atue como um motor CA síncrono. A rotação das bobinas energizadas excita os enrolamentos de campo estacionários, produzindo parte da corrente DC. A outra parte é a corrente CA dos anéis coletores, que é retificada diretamente em CC pelo comutador . Isso torna o conversor rotativo um dínamo híbrido e retificador mecânico. Quando usado dessa forma, é denominado conversor rotativo síncrono ou simplesmente conversor síncrono . Os anéis coletores CA também permitem que a máquina atue como um alternador.
O dispositivo pode ser invertido e a CC aplicada ao campo e aos enrolamentos do comutador para girar a máquina e produzir energia CA. Quando operado como uma máquina DC para AC, é referido como um conversor rotativo invertido .
Uma maneira de visualizar o que está acontecendo em um conversor rotativo CA para CC é imaginar uma chave reversora rotativa que está sendo acionada a uma velocidade sincronizada com a linha de alimentação. Essa chave poderia retificar a forma de onda de entrada CA sem nenhum componente magnético, exceto aqueles que acionam a chave. O conversor rotativo é um pouco mais complexo do que este caso trivial porque fornece quase CC em vez da CC pulsante que resultaria apenas do interruptor de reversão, mas a analogia pode ser útil para entender como o conversor rotativo evita transformar toda a energia de elétrico para mecânico e de volta para elétrico.
A vantagem do conversor rotativo sobre o conjunto motor-gerador discreto é que o conversor rotativo evita a conversão de todo o fluxo de potência em energia mecânica e depois de volta em energia elétrica; parte da energia elétrica, em vez disso, flui diretamente da entrada para a saída, permitindo que o conversor rotativo seja muito menor e mais leve do que um conjunto motor-gerador com capacidade equivalente de manuseio de energia. As vantagens de um grupo motor-gerador incluem regulação de tensão ajustável que pode compensar a queda de tensão na rede de alimentação; ele também forneceu isolamento de energia completo , isolamento de harmônicos, maior proteção contra sobretensão e transiente e proteção contra queda (brownout) por meio de maior impulso.
Nesta primeira ilustração de um conversor rotativo monofásico para corrente contínua, ele pode ser usado de cinco maneiras diferentes:
- Se a bobina for girada, correntes alternadas podem ser retiradas dos anéis coletores, e isso é chamado de alternador .
- se a bobina for girada, a corrente contínua pode ser retirada do comutador e é chamada de dínamo .
- Se a bobina for girada, duas correntes separadas podem ser retiradas da armadura, uma fornecendo corrente contínua e a outra fornecendo corrente alternada. Essa máquina é chamada de gerador de corrente dupla .
- Se uma corrente contínua for aplicada ao comutador, a bobina começará a girar como um motor elétrico comutado e uma corrente alternada pode ser retirada dos anéis coletores. Isso é chamado de conversor rotativo invertido (consulte inversor ).
- Se a máquina for levada à velocidade síncrona por meios externos e se a direção da corrente através da armadura tiver a relação correta com as bobinas de campo, a bobina continuará a girar em sincronismo com a corrente alternada como um motor síncrono . Uma corrente contínua pode ser obtida do comutador. Quando usado dessa forma, é chamado de conversor rotativo .
Dínamo de auto-equilíbrio
O dínamo de auto-equilíbrio é de construção semelhante ao conversor rotativo monofásico e bifásico. Era comumente usado para criar uma fonte elétrica CA de 120/240 volts de três fios completamente balanceada. O CA extraído dos anéis coletores foi alimentado em um transformador com um único enrolamento com derivação central. O enrolamento com derivação central forma o fio neutro CC. Ele precisava ser acionado por uma fonte de energia mecânica, como um motor a vapor, um motor a diesel ou um motor elétrico. Pode ser considerado um conversor rotativo usado como gerador de dupla corrente; a corrente AC foi usada para equilibrar o fio neutro DC.
História
O conversor rotativo foi inventado por Charles S. Bradley em 1888. Um uso típico para este tipo de conversor AC / DC era para eletrificação ferroviária , onde a energia da rede elétrica era fornecida como corrente alternada, mas os trens eram projetados para funcionar com corrente contínua. Antes da invenção dos rectificadores de arco de mercúrio e de alta potência semicondutores rectificadores , esta conversão só poderia ser conseguido usando motores-geradores ou conversores rotativos.
Os conversores rotativos logo atenderam à necessidade de combinar todos os sistemas concorrentes de distribuição de energia elétrica que surgiram na década de 1880 e no início da década de 1890. Estes incluíram sistemas AC monofásicos, sistemas AC polifásicos, iluminação incandescente de baixa tensão, iluminação de arco de alta tensão e motores DC existentes em fábricas e carros de rua. A maioria das máquinas e aparelhos naquela época eram operados por energia DC, fornecida por subestações conversoras rotativas para consumo residencial, comercial e industrial. Os conversores rotativos fornecem energia CC de alta corrente para processos eletroquímicos industriais , como galvanoplastia . As usinas siderúrgicas precisavam de grandes quantidades de energia CC no local para seus motores principais de acionamento do rolo. Da mesma forma, as fábricas de papel e impressoras exigiam corrente contínua para iniciar e parar seus motores em perfeita sincronização para evitar rasgar a folha.
Obsolescência
A necessidade de usar conversores rotativos foi lentamente superada conforme os sistemas mais antigos foram retirados ou atualizados para corresponder ao sistema universal AC mais recente. Os conversores rotativos síncronos CA para CC tornaram-se obsoletos pelos retificadores de arco de mercúrio na década de 1930 e, posteriormente, pelos retificadores de semicondutores na década de 1960. Algumas das subestações originais do metrô de Nova York usando conversores rotativos síncronos operaram até 1999. Em comparação com o conversor rotativo, os retificadores de arco de mercúrio e semicondutores não precisavam de manutenção diária, sincronização manual para operação paralela, nem pessoal qualificado, e forneciam CC limpa potência. Isso possibilitou que as novas subestações ficassem desguarnecidas, exigindo apenas visitas periódicas de um técnico para inspeção e manutenção.
AC substituiu DC na maioria das aplicações e, eventualmente, a necessidade de subestações DC locais diminuiu junto com a necessidade de conversores rotativos. Muitos clientes CC convertidos para alimentação CA e retificadores CC de estado sólido no local foram usados para alimentar o equipamento CC restante da fonte CA.
Veja também
Referências
- Slichter, WI (1917). "Conversores Síncronos ou Rotativos" . Em Pender, Harold (ed.). Manual para engenheiros elétricos . Nova York: John Wiley & Sons. pp. 279–291.
- Greenberg, Bernard S. (1999). "Rotary Converter Power Technology: AC, DC, and Subway Power." nycsubway.org.