回転コンバーター

回転コンバータは、機械式整流器、インバータ、または周波数変換器として機能する電気機械の一種です。回転コンバータは、化学的または固体的な電力整流および反転が出現する以前は、交流（AC）を直流（DC）に、またはDCを交流に変換するために使用されていました。これらは、交流電源から商業、産業、および鉄道の電化に直流電力を供給するために一般的に使用されていました。^{[ 1 ]}

回転コンバータプラントとは、回転コンバータを使用する施設のことです。適切な機器を使用すれば、このような施設では電圧や周波数を設定することもできます。回転コンバータプラントは、1920年代に水銀アーク整流器が発明される以前は、鉄道の電化において一般的でした。各施設では、交流電力網からの電力が直流に変換され、架線または鉄道の第三軌条に供給されました。回転コンバータプラントは、異なる周波数や動作モードの電力網を結合するためにも使用されました。旧ノイホフ変電所は後者の例です。アレクサンダーソンオルタネータのような旧式の機械式送信機は、厳密に言えば回転コンバータプラントでした。現代のパワー半導体技術にもかかわらず、回転コンバータは、主電力網とは異なる周波数の交流を鉄道システムに供給するために今でも一般的です。ヨーロッパでは、これは通常、15 kV交流の鉄道電化に使用されます。

回転コンバータは、モーターと発電機が単一の回転電機子と界磁コイルを共有する装置と考えることができます。回転コンバータの基本的な構造は、回転子巻線に等間隔でタップされたスリップリングを備えた直流発電機（ダイナモ）で構成されています。ダイナモを回転させると、回転子巻線の電流は、固定界磁巻線の磁場内で回転するにつれて交互に変化します。この交流電流は整流子によって整流され、回転子から直流電流を取り出すことができます。この原理を利用して、同じ回転子巻線に交流電力を供給することで、回転コンバータは同期交流モーターとして動作します。励磁されたコイルの回転によって固定界磁巻線が励磁され、直流電流の一部が生成されます。残りの部分はスリップリングからの交流電流であり、整流子によって直接直流に整流されます。これにより、回転コンバータはハイブリッド型のダイナモと機械式整流器となります。このように使用される場合、同期回転コンバータ、または単に同期コンバータと呼ばれます。ACスリップリングにより、この機械は発電機としても機能します。

この装置は逆向きに動作させることができ、界磁巻線と整流子巻線に直流電圧を印加することで機械を回転させ、交流電力を生成できます。直流から交流への変換器として動作する場合、反転回転コンバータと呼ばれます。

AC-DC回転コンバータで何が起こっているかをイメージする一つの方法は、電力線と同期した速度で駆動される回転式反転スイッチを想像することです。このようなスイッチは、スイッチを駆動する磁気部品以外に磁気部品を一切使用せずに、AC入力波形を整流することができます。回転コンバータは、反転スイッチのみで得られる脈動する直流ではなく、ほぼ直流に近い電圧を出力するため、この単純な例よりもやや複雑ですが、この例えは、回転コンバータが電気エネルギーから機械エネルギー、そして再び電気エネルギーへとすべてのエネルギー変換を回避する仕組みを理解する上で役立つでしょう。

簡単に言うと、一方のモーターに電力が供給されると、反対側のモーターに機械エネルギーが伝達され、逆の電流が発生します。どちらのモーターに電力が供給されるかによって、この装置は交流を直流に、または直流を交流に変換します。

回転コンバータが個別のモータ発電機セットよりも優れている点は、回転コンバータでは電力の流れをすべて機械エネルギーに変換してから再び電気エネルギーに変換する必要がないことです。代わりに、電気エネルギーの一部が入力から出力に直接流れるため、回転コンバータは同等の電力処理能力を持つモータ発電機セットよりもはるかに小型軽量になります。モータ発電機セットの利点としては、供給ネットワークの電圧降下を補償できる調整可能な電圧調整機能、完全な電力絶縁、高調波絶縁、サージおよび過渡保護の強化、そして運動量の増加による電圧低下（ブラウンアウト）保護などが挙げられます。

この単相から直流への回転コンバータの最初の例では、5つの異なる方法で使用できます。^{[ 5 ]}

• コイルを回転させると、コレクターリングから交流電流を取り出すことができ、これを交流発電機と呼びます。
• コイルを回転させると、整流子から直流電流を取り出すことができ、これをダイナモと呼びます。
• コイルを回転させると、電機子から2つの異なる電流を取り出すことができ、一方は直流電流、もう一方は交流電流を供給する。このような機械は二重電流発生器と呼ばれる。
• 整流子に直流電流を流すと、整流式電動機のようにコイルが回転し始め、コレクタリングから交流電流を取り出すことができます。これは反転回転コンバータと呼ばれます（インバータを参照）。
• 外部手段によって機械が同期速度に加速され、電機子を流れる電流の方向が界磁コイルに対して正しい関係にある場合、コイルは同期電動機として交流電流と同期して回転し続けます。整流子から直流電流を取り出すこともできます。このように使用される場合、それは回転コンバータと呼ばれます。

回転位相変換器（ RPCと略される）は、回転運動によって電力を多相システム間で変換する電気機械です。通常、単相電力を使用して三相電力を生成し、単相電力しか利用できない場所で三相負荷を駆動します。モーター発電機セットとして構築される場合もあります。このセットは負荷を単相電源から完全に分離し、バランスの取れた三相出力を生成します。しかし、重量、コスト、効率の問題から、ほとんどのRPCはこのように構築されていません。

代わりに、それらはアイドラーと呼ばれる三相誘導電動機または発電機で構成されており、その端子のうち 2 つ (アイドラー入力) は単相線から電力が供給されます。電動機の回転磁束は、 3 番目の端子に電圧を生成します。3 番目の端子には、最初の 2 つの端子間の電圧から位相がずれた電圧が誘導されます。3 巻線電動機では、2 つの巻線が電動機として機能し、3 番目の巻線が発電機として機能します。合成された 3 番目の相は他の 2 つの相とは異なる方法で駆動されるため、負荷の変化に対する応答が異なり、負荷がかかったときにこの相の電圧降下が大きくなります。誘導電動機は電圧不均衡に敏感であるため、これはこのタイプの位相変換器で駆動される電動機の定格を下げるもう 1 つの要因です。たとえば、位相電圧のわずかな 5% の不均衡でも、電動機の定格電力の 24% というはるかに大きな低下が必要になります。^{[ 6 ]}したがって、最大負荷時に位相電圧が等しくなるように回転位相変換器回路を調整することは非常に重要になる可能性があります。

回転式位相変換器は、電気鉄道の単一の架線導体用に単相を生成するために使用されます。電気が50 Hzの三相交流である ヨーロッパの5か国（ドイツ、オーストリア、スイス、ノルウェー、スウェーデン）は、鉄道の電化のために15 kV 16 + 2 ⁄ 3 Hzの単相交流に標準化しました。そのため、位相変換器は位相と周波数の両方を変更するために使用されます。ソビエト連邦では、AC機関車で単相50 Hzを三相に変換して、牽引モーター冷却ブロワーなどの誘導モーターを駆動するために使用されました。 ^{[ 7 ]}     

回転コンバータは、1888 年にCharles S. Bradleyによって発明されました。 ^{[ 8 ]}このタイプの AC/DC コンバータの典型的な用途は、電力会社から交流として供給される鉄道の電化でした。DC 牽引モーターは推進用途に適した速度とトルク特性で製造でき、可変速度に制御できるため、列車は直流で動作するように設計されていました。AC 誘導モーターは、固定周波数電源から電力が供給される場合、牽引用途にはあまり適していませんでした。水銀アーク整流器と高出力半導体整流器が発明される前は、この変換はモータージェネレータまたは回転コンバータを使用してのみ実現できました。

ロータリーコンバータは、1880 年代から 1890 年代初頭にかけて出現した競合する電力供給システムすべてを使用する必要性をすぐに満たしました。これには、単相交流システム、多相交流システム、低電圧白熱灯、高電圧アーク灯、工場や路面電車の既存の直流モーターが含まれます。^{[ 9 ] [ 10 ]}当時のほとんどの機械や器具は直流電力で動作しており、家庭用、商業用、産業用消費のためにロータリーコンバータ変電所によってユーザーレベルで供給されていました。ロータリーコンバータは、電気めっきなどの工業用電気化学プロセスに高電流直流電力を提供しました。製鉄所は、メインロール駆動モーター用に大量の現場直流電力を必要としました。同様に、製紙工場や印刷機は、シートの破れを防ぐためにモーターを完全に同期させて起動および停止するために直流を必要としました。

• シッケイ・ギュラ: マジャル語のエレクトロテクニカ・ナジ・アラクジャイ。 (Energetikai Kiadó Kht. 2005)

• 「Az egyfázisú, 50 periódusú, fázisváltós vontatási rendszer újabb fejlődése 」 [単相 50 Hz 牽引システムの最新開発] (PDF) (ハンガリー語)。 2021年12月27日。