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Un convertidor rotatorio es un tipo de máquina eléctrica que actúa como un rectificador mecánico , inversor o convertidor de frecuencia .
Los convertidores rotativos se utilizaban para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), o CC en corriente alterna, antes de la aparición de la rectificación e inversión de energía química o de estado sólido . Se utilizaban comúnmente para proporcionar energía CC para la electrificación comercial, industrial y ferroviaria a partir de una fuente de energía CA. [1]
El convertidor rotatorio 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 rotatorio consiste en un generador de CC (dinamo) con un conjunto de anillos colectores conectados a sus devanados de rotor a intervalos espaciados uniformemente. Cuando se hace girar una dinamo, las corrientes eléctricas en sus devanados de rotor se alternan a medida que gira en el campo magnético de los devanados de campo estacionarios. Esta corriente alterna se rectifica por medio de un conmutador , que permite extraer corriente continua del rotor. Este principio se aprovecha energizando los mismos devanados del rotor con energía 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 estacionarios produciendo parte de la corriente continua. La otra parte es corriente alterna de los anillos colectores , que se rectifica directamente en CC por el conmutador . Esto hace que el convertidor rotatorio sea un híbrido de dinamo y rectificador mecánico. Cuando se utiliza de esta manera, se lo 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 se puede aplicar CC a los devanados del campo y del conmutador para hacer girar la máquina y producir energía CA. Cuando funciona como una máquina de CC a CA, se lo denomina convertidor rotatorio invertido .
Una forma de visualizar lo que sucede en un convertidor rotatorio de CA a CC es imaginar un interruptor inversor rotatorio 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, salvo los que accionan el interruptor. El convertidor rotatorio es algo más complejo que este caso trivial porque proporciona una corriente continua cercana en lugar de la corriente continua pulsante que resultaría solo del interruptor inversor, pero la analogía puede ser útil para comprender cómo el convertidor rotatorio evita transformar toda la energía de eléctrica a mecánica y de vuelta a eléctrica.
La ventaja del convertidor rotatorio sobre el grupo motogenerador discreto es que el primero evita convertir todo el flujo de potencia en energía mecánica y luego de nuevo en energía eléctrica; en cambio, parte de la energía eléctrica fluye directamente de la entrada a la salida, lo que permite que el convertidor rotatorio sea mucho más pequeño y ligero que un grupo motogenerador con una capacidad de manejo de potencia equivalente. Las ventajas de un grupo motogenerador incluyen la regulación de tensión ajustable , que puede compensar la caída de tensión en la red de suministro; también proporciona un aislamiento de potencia completo , aislamiento de armónicos, mayor protección contra sobretensiones y transitorios, y protección contra caídas de tensión (caídas de tensión) mediante un mayor impulso.
En esta primera ilustración de un convertidor rotatorio monofásico a corriente continua, se puede utilizar de cinco maneras diferentes: [5]
El dinamo autoequilibrado tiene una construcción similar a la del convertidor rotativo monofásico y bifásico. Se utilizaba habitualmente para crear un suministro eléctrico de CA de 120/240 voltios de tres cables completamente equilibrado. La CA extraída de los anillos rozantes se introducía en un transformador con un único devanado con toma central. El devanado con toma central forma el cable neutro de CC. Debía ser accionado 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 corriente doble; la corriente alterna se utilizaba para equilibrar el cable neutro de CC.
El convertidor rotatorio fue inventado por Charles S. Bradley en 1888. [6] Un uso típico de este tipo de convertidor CA/CC era la electrificación ferroviaria , donde la energía de la red se suministraba como corriente alterna. Los trenes estaban diseñados 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 una velocidad variable. El motor de inducción de CA no era tan adecuado para el uso de tracción cuando se alimentaba desde una fuente de frecuencia fija. Antes de la invención de los rectificadores de arco de mercurio y los rectificadores de semiconductores de alta potencia , esta conversión solo podía lograrse utilizando motores-generadores o convertidores rotatorios.
Los convertidores rotativos pronto llenaron la necesidad de utilizar todos los sistemas de suministro de energía eléctrica que competían entre sí y 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 de CC, que era proporcionada a nivel de usuario por subestaciones de convertidores rotativos para consumo residencial, comercial e industrial. Los convertidores rotativos proporcionaban energía de CC de alta corriente para procesos electroquímicos industriales como la galvanoplastia . Las acerías necesitaban grandes cantidades de energía de CC en el sitio para sus motores de accionamiento de 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 rasgar la hoja.
El problema de tener que usar convertidores rotativos se fue superando poco a poco a medida que los sistemas más antiguos se retiraban o se actualizaban para que coincidieran con el nuevo sistema universal de CA. Los convertidores rotativos síncronos de CA a CC se volvieron obsoletos por los rectificadores de arco de mercurio en la década de 1930 y más tarde por 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 usaban convertidores rotativos síncronos funcionaron hasta 1999. [9] : 12 En comparación con el convertidor rotativo, los rectificadores de arco de mercurio y semiconductores no necesitaban mantenimiento diario, sincronización manual para operación en paralelo ni personal calificado, y proporcionaban energía de CC limpia. Esto permitió que las nuevas subestaciones no tuvieran personal, y solo requerían visitas periódicas de un técnico para inspección y mantenimiento.
La corriente alterna reemplazó a la corriente continua en la mayoría de las aplicaciones y, con el tiempo, la necesidad de subestaciones de corriente continua locales disminuyó junto con la necesidad de convertidores rotativos. Muchos clientes de corriente continua pasaron a la corriente alterna y se utilizaron rectificadores de corriente continua de estado sólido en el lugar para alimentar el resto de los equipos de corriente continua a partir de la fuente de corriente alterna.
