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Un convertidor rotativo es un tipo de máquina eléctrica que actúa como rectificador mecánico , inversor o convertidor de frecuencia .
Los convertidores rotativos se utilizaban para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), o CC en CA, antes de la llegada de la rectificación e inversión de energía química o de estado sólido . Se usaban comúnmente para proporcionar energía de CC para electrificación comercial, industrial y ferroviaria a partir de una fuente de energía de CA. [1]
El convertidor rotativo puede considerarse como un motor-generador , donde las dos máquinas comparten una única armadura giratoria y un conjunto de bobinas de campo . La construcción básica del convertidor rotativo consiste en un generador de CC (dinamo) con un conjunto de anillos colectores conectados a los devanados del rotor a intervalos uniformemente espaciados. Cuando se hace girar una dinamo, las corrientes eléctricas en los devanados del rotor se alternan a medida que gira en el campo magnético de los devanados del campo estacionario. Esta corriente alterna se rectifica mediante un conmutador , que permite extraer corriente continua del rotor. Este principio se aprovecha energizando los mismos devanados del rotor con energía de CA, lo que hace que la máquina actúe como un motor de CA síncrono. La rotación de las bobinas energizadas excita los devanados de campo estacionario produciendo parte de la corriente continua. La otra parte es corriente alterna de los anillos colectores , que el conmutador rectifica directamente a CC . Esto convierte al convertidor rotativo en un híbrido de dinamo y rectificador mecánico. Cuando se utiliza de esta manera, se le denomina convertidor rotativo síncrono o simplemente convertidor síncrono . Los anillos colectores de CA también permiten que la máquina actúe como alternador.
El dispositivo se puede invertir y aplicar CC al campo y a los devanados del conmutador para hacer girar la máquina y producir energía CA. Cuando se opera como una máquina de CC a CA, se le conoce como convertidor rotativo invertido .
Una forma de imaginar lo que sucede en un convertidor rotativo de CA a CC es imaginar un interruptor inversor giratorio que funciona a una velocidad sincrónica con la línea eléctrica. Un interruptor de este tipo podría rectificar la forma de onda de entrada de CA sin ningún componente magnético, excepto aquellos que accionan el interruptor. El convertidor rotatorio es algo más complejo que este caso trivial porque entrega casi CC en lugar de la CC pulsante que resultaría simplemente del interruptor inversor, pero la analogía puede ser útil para comprender cómo el convertidor rotatorio evita transformar toda la energía de eléctrico a mecánico y nuevamente a eléctrico.
La ventaja del convertidor rotativo sobre el conjunto motor-generador discreto es que el convertidor rotativo evita convertir todo el flujo de potencia en energía mecánica y luego nuevamente en energía eléctrica; En cambio, parte de la energía eléctrica fluye directamente de la entrada a la salida, lo que permite que el convertidor giratorio sea mucho más pequeño y liviano que un conjunto de motor-generador con una capacidad de manejo de energía equivalente. Las ventajas de un grupo motogenerador incluyen la regulación de tensión regulable , que puede compensar la caída de tensión en la red de suministro; también proporcionó aislamiento de energía completo , aislamiento de armónicos, mayor protección contra sobretensiones y transitorios, y protección contra caídas (caídas de tensión) a través de un mayor impulso.
En esta primera ilustración de un convertidor rotativo monofásico a corriente continua, se puede utilizar de cinco maneras diferentes: [5]
La dinamo autoequilibrada tiene una construcción similar al convertidor rotativo monofásico y bifásico. Se usaba comúnmente para crear un suministro eléctrico de CA de 120/240 voltios de tres cables completamente equilibrado. La CA extraída de los anillos colectores se introdujo en un transformador con un devanado con toma central única. El devanado con derivación central forma el cable neutro de CC. Tenía que ser impulsado por una fuente de energía mecánica, como una máquina de vapor, un motor diésel o un motor eléctrico. Podría considerarse un convertidor rotativo utilizado como generador de doble corriente; La corriente alterna se utilizó para equilibrar el cable neutro de CC.
El convertidor rotativo fue inventado por Charles S. Bradley en 1888. [6] Un uso típico de este tipo de convertidor CA/CC era para la electrificación ferroviaria , donde la energía eléctrica se suministraba como corriente alterna. Los trenes se diseñaron para funcionar con corriente continua, ya que los motores de tracción de CC podían construirse con características de velocidad y par adecuadas para el uso de propulsión y podían controlarse para velocidad variable. El motor de inducción de CA no era tan adecuado para el uso de tracción cuando se alimentaba con un suministro de frecuencia fija. Antes de la invención de los rectificadores de arco de mercurio y los rectificadores de semiconductores de alta potencia , esta conversión sólo podía lograrse utilizando motogeneradores o convertidores rotativos.
Los convertidores rotativos pronto cubrieron la necesidad de utilizar todos los sistemas de suministro de energía eléctrica competidores que surgieron en la década de 1880 y principios de la de 1890. Estos incluían sistemas de CA monofásicos, sistemas de CA polifásicos, iluminación incandescente de bajo voltaje, iluminación de arco de alto voltaje y motores de CC existentes en fábricas y tranvías. [7] [8] La mayoría de la maquinaria y los electrodomésticos en ese momento funcionaban con energía CC, que era proporcionada a nivel de usuario por subestaciones convertidoras rotativas para consumo residencial, comercial e industrial. Los convertidores rotativos proporcionaban potencia CC de alta corriente para procesos electroquímicos industriales como la galvanoplastia . Las acerías necesitaban grandes cantidades de energía CC in situ para los motores de accionamiento de sus rodillos principales. De manera similar, las fábricas de papel y las imprentas necesitaban corriente continua para arrancar y detener sus motores en perfecta sincronización para evitar que se rasgara la hoja.
La solución provisional de tener que utilizar convertidores rotativos se fue superando lentamente a medida que los sistemas más antiguos se retiraban o actualizaban para que coincidieran con el nuevo sistema universal de CA. Los convertidores rotativos síncronos de CA a CC quedaron obsoletos gracias a los rectificadores de arco de mercurio en la década de 1930 y, más tarde, a los rectificadores de semiconductores en la década de 1960. [9] : 54 Algunas de las subestaciones originales del metro de la ciudad de Nueva York que utilizaban convertidores rotativos síncronos funcionaron hasta 1999. [9] : 12 En comparación con el convertidor rotativo, los rectificadores de semiconductores y de arco de mercurio no necesitaban mantenimiento diario, sino sincronización manual para funcionamiento en paralelo. , ni personal calificado, y proporcionaron energía CC limpia. Esto permitió que las nuevas subestaciones no tuvieran personal, requiriendo únicamente visitas periódicas de un técnico para inspección y mantenimiento.
La CA reemplazó a la CC en la mayoría de las aplicaciones y, finalmente, la necesidad de subestaciones de CC locales disminuyó junto con la necesidad de convertidores rotativos. Muchos clientes de CC se convirtieron a alimentación de CA y se utilizaron rectificadores de CC de estado sólido en el sitio para alimentar el equipo de CC restante desde el suministro de CA.
