До начала нашего рассказа, давайте я загадаю вам загадку: можно ли выпрямить переменный ток, без полупроводниковых элементов (диоды и так далее)? А можно ли то же самое провернуть, с точностью до наоборот — то есть, постоянный ток превратить в переменный, без сложных схем и полупроводниковых элементов? Можно ли понизить/повысить напряжение электрического тока (и другие его параметры — частоту, количество фаз) — без трансформаторов и электронных схем? 

А теперь, совсем вопрос на засыпку («вот ведь валит!» © — неизвестный студент:‑D): а можно ли теперь всю эту красоту провернуть с помощью одного и того же класса устройств?

Как ни странно, можно, если это устройство называется «умформер» (но были и более продвинутые варианты, о них тоже будет ниже)… 

Чтобы понять, как появилось это устройство и что явилось причиной, нам надо будет немножко окунуться в историю… Дело в том, что, как я уже неоднократно говорил в разных статьях, — XIX век явился временем, когда масштабно, практически одно за другим, совершались открытия в области электричества и смежных дисциплин (радиопередача и так далее). 

Однако, к концу XIX века сложилась такая ситуация, что в мире существовало две конкурирующие системы электропитания:

• Постоянного тока: продвигалась, в частности, усилиями американского бизнесмена и изобретателя Томаса Эдисона, который создал крупную компанию по производству ламп накаливания постоянного тока, низкого напряжения;

• Переменного тока: продвигалась стараниями американского предпринимателя и инженера Джорджа Вестингауза, реализующего устройства на базе изобретений Николя Тесла.

К концу XIX века это привело к довольно затяжным событиям, оставшимся в истории под названием «Война токов», в результате чего, как мы уже можем наблюдать в наши дни, — победил переменный ток (по крайней мере, для передачи на большие расстояния), хотя, и по сей день остаются места, питающиеся от постоянного тока, а также старинных сетей постоянного электропитания. 

В рамках нашего рассмотрения всё это интересно с той точки зрения, что к концу XIX века, в рамках каждой из систем электропитания сложился свой тип потребителей, где, естественно, логически рассуждая, можно было бы предположить, что необходима была некая «перемычка» между двумя системами, для трансформирования переменного тока в постоянной и обратно, в том числе, и с изменением параметров (частоты и фаз). 

Несмотря на то, что в явном виде об этом не говорится, но, если мы внимательно вчитаемся во все нюансы, касающиеся «Войны токов» (хотя бы даже насчёт того, что Николя Тесла изначально работал у Томаса Эдисона, то есть, система постоянного тока уже существовала; впрочем, это логично — она просто эволюционировала от уже давно известных химических батарей и аккумуляторов, до генераторов), а также, задумаемся обо всей предшествующей истории развития электричества, то, нам станет очевидно, что, к тому моменту, когда переменный ток только начал своё «победное шествие», — уже имелся большой массив потребителей (то есть устройств) постоянного тока, который необходимо было как‑то обеспечить электропитанием…

Также, стоит обратить внимание на два факта:

1. Как отмечается, на тот момент не существовало эффективных способов для трансформации напряжения постоянного тока, поэтому, сеть электроснабжения Томаса Эдисона была вынуждена подавать потребителям напряжение, близкое к тому, которое потребляют конечные устройства (100..200В);

2. Как мы там же можем видеть, уже даже первые электростанции переменного тока Вестингауза, вырабатывали его с напряжением в 500В*.

*Это было не случайно, так как, на тот момент уже был известен, так называемый, закон Джоуля Ленца, из которого вытекает следствие, что для уменьшения тепловых потерь, необходимо было повышать напряжение, так как это уменьшит требуемую силу тока и, по сути, позволит передать большую электрическую мощность, с минимизацией тепловых потерь при протекании тока через проводник. 

В дальнейшем, как мы знаем, это привело к появлению весьма высоковольтных линий электропередач, протянувшихся от удалённых электростанций в одном конце страны, — до распределённых потребителей по всей стране, где само напряжение могло достигать довольно больших значений, например 1 150 000 В.

Тем не менее, смотря на эти два факта, мы понимаем, что существовал серьёзный разрыв между напряжением, обусловленным технической потребностью по передаче с минимальными потерями, и потребительским напряжением, необходимым для конечных устройств. 

Как мы видим даже по принципиальной схеме выше — осуществления высоковольтной передачи от электростанций (то есть генератора) к потребителю, на своём пути электрический ток проходит преобразование по напряжению, что существенно облегчилось с переходом на переменный ток.

Однако, что же делать с потребностью его выпрямления? Мы ведь не забываем, что имеем дело с большим массивом потребителей постоянного тока!

Кстати,я тут сразу подумал, что, в принципе, от многого можно было бы отказаться (наверное), где требовалось постоянное напряжение, однако, есть как минимум 3 сферы, где это было бы сделать точно затруднительно:

• Гальваника — в XIX веке как раз активно начала развиваться гальваническая наука: разложение пропусканием электрического тока, нанесение покрытий и так далее — то есть, это та важнейшая сфера, где без постоянного тока обойтись невозможно;

• Зарядка аккумуляторов;

• Эта сфера вытекает из предыдущей — на электрическом транспорте, в частности, трамваях, использовали двигатели постоянного тока и электрические устройства бортовой сети — из тех соображений, чтобы при пропадании напряжения питания извне, бортовая сеть могла бы быть запитана от бортового аккумулятора постоянного (естественно) тока.

Возвращаясь к нашей проблеме в потребности выпрямления переменного тока, стоит отметить, что если мы начнём изучать суть вопроса, то мы узнаем, что, относительно мощные (даже на токи в 500 А) и даже более) выпрямители, так называемые «вакуумные, ртутно‑дуговые», начнут своё распространение только в начале XX века (несмотря на то, что сам эффект был открыт ещё также в конце XIX века):

Как можно видеть, в устройстве находится небольшое количество жидкой ртути на катоде («ртутный бассейн»), где, в непосредственной близости от неё, находится поджигающий электрод или, даже с использованием электрода, частично погружённого в ртуть (ртуть не могла его плотно покрыть (смочив), и, после подачи короткого поджигающего импульса, между ними загоралась дуга, разогревающая ртуть:

Основная суть всех этих действий заключалась в том, что необходимо было тем или иным способом разогреть ртуть, чтобы она начала испускать электроны, после чего, питание на поджигающем электроде отключалось, и поток электронов начинал течь только в одном направлении — от раскалённого пятна на поверхности ртутного бассейна — к гораздо более холодному анодному электроду, который практически не испускал электронов, и, поэтому, при подаче на это устройство переменного тока, — ток через этот выпрямитель мог течь только в одном направлении: от ртути.

Таким образом, по сути, из‑за отсутствия иных возможностей по выпрямлению переменного тока, с большой пропускной способностью (сотни ампер и более), похоже что, инженеры вынужденно пришли к весьма оригинальному решению: для того, чтобы выпрямить ток, нужно просто взять двигатель на переменный ток и… с помощью него механически крутить двигатель на постоянный ток!:‑D 

Просто, оригинально, и… весьма логично: почему бы и нет:

Конструкция при этом получается весьма простой, без сложных электронных управляющих схем, которая, кроме того, обеспечивает гальваническую развязку двух сетей, а также, отличается другими положительными сторонами:

• Из‑за относительно большой инерции (то есть большого веса) всей системы — краткие провалы подачи питания на приводной двигатель практически не сказываются на генерации выходного генератора;

• Генерация почти идеального синусоидального напряжения;

• Возможность изменения частоты;

• Кроме того, позволяет производить трансформацию количества фаз — например, однофазный ток в трёхфазный и наоборот (в зависимости от того, какой из мотор/генераторов является выходным).

Понятно, что ключевой во всей этой затее является основная идея, а не конкретное конструктивное исполнение: то есть, например, возможно соединение двух мотор/генераторов, в разных сочетаниях типов (постоянный с переменным, постоянный с постоянным, переменный с переменным), что, в частности, даёт возможность соединять, например, два мотор/генератора переменного тока, чтобы преобразовывать переменный ток, например, из одной частоты в другую, или, скажем, преобразовывать относительно низковольтный постоянный ток — в относительно высоковольтный. 

Очевидно, что подобное механическое устройство будет иметь и свои недостатки, среди наиболее явных из которых, можно назвать: высокий шум при работе, механический износ, потребность периодического техосмотра, относительно низкий КПД (примерно до 70%, из‑за двукратного преобразования электроэнергии).

Тем не менее, у этого устройства существует и несколько более эффективная версия! И, если выше мы видели самый простой вариант с механическим соединением двух валов, то, логично было бы предположить, что существуют и устройства, где на одном валу объединены (изначально, в заводских условиях) двигатель и генератор!

И это полностью подтверждается исторической практикой: такие устройства получили название «роторных преобразователей», как раз и объединяя на одном валу два перечисленных выше устройства (мотор, генератор).

Кстати, я тут подумал, что, вот это конкретное устройство, наверное, вполне можно было бы назвать и «механическим диодом» или даже «механическим диодным мостом», так как это в полной мере отражает смысл его работы (по крайней мере, в ряде применений, где идёт выпрямление тока):‑) — и, если в первом варианте, где реализуется механическое соединение валов, такое название, наверное, будет несколько натянутым, то вот в этом случае, одновального преобразователя, выглядит, на мой взгляд, вроде как, вполне себе органично…:‑)

Устройство, кстати говоря, крайне занятное!

Возможно, по своей оригинальности и простоте, даже ещё более занятное, чем первый вариант, с механическим соединением валов!

В попытке понять, как это работает, я долго вчитывался в официальное объяснение, и, в ряд картинок, где возьмём один из простых вариантов:

Сразу скажу, что наблюдаемое вовсе не очевидно, и я сам потратил достаточно большое количество времени чтобы понять, как оно должно работать. Поэтому, если у вас есть чем поправить или добавить, буду только рад!

Во‑первых, что нам надо принять за данность, до того, как мы вообще будем рассматривать картинку выше: преобразователи подобного рода представляли собой очень специфическую конструкцию, где одна и та же общая обмотка на роторе — используется и для приведения в действие, за счёт, например, подачи переменного тока, и для генерации постоянного тока! 

То есть, ещё раз: одна и та же обмотка и для питания, и для снятия полезной генерации!* Вот такая странная история… 

*Хотя, тут скорее надо говорить не «генерации», а «импульсного механического выпрямления». Впрочем, не суть важно...:-)

Что мы видим на картинке выше: стационарно расположены магниты или обмотки возбуждения, на которые подаётся электрический ток и они начинают генерировать электромагнитное поле. 

Ротор представляет собой конструкцию, где в середине находятся обмотки, и с одной стороны ротора на валу расположены — цельные кольца, а с другой — разрезные (ламели коллектора постоянного тока).

Обмотка, намотанная на ротор, представляет собой полностью замкнутую структуру, где мы припаиваем два провода: на 12 и на 6 часов (говорю специально так, чтобы было понятно в каких местах, если бы мы умозрительно представили круг ротора, который видим на картинке выше, в виде циферблата часов), провода от которых подключаем к цельным кольцам на роторе.

Теперь, если на кольца подать переменный ток — обмотка ротора тоже окружится переменным электромагнитным полем, которое будет отталкиваться от обмотки статора и ротор начнёт вращаться.

Однако, нам ведь надо с ротора снять ещё и полезную работу!

Для этого, к той же самой обмотке, с определённым шагом, мы припаиваем ламели (отдельные сектора цилиндра, уложенные на ротор с небольшим зазором друг от друга — как можно видеть на картинке выше, их довольно много, и, если мы будем говорить в терминах «циферблата часов» — то они уложены на каждые 5 минут (примерно).

Любой электродвигатель/генератор постоянного тока, по сути, представляет собой устройство, в котором обмотка подвергается воздействию переменного электромагнитного/магнитного поля, и в ней, соответственно, возбуждается переменный электрический ток, но, благодаря наличию коллектора — происходит его выпрямление и выдача наружу (если он используется как генератор) или вращение от постоянного тока, где происходит обратное преобразование в переменный — если он используется как двигатель. 

Таким образом, в нашем случае, так как уже есть обмотка с переменным током — нам остаётся только забрать его, с ламелей и «выпрямить» с помощью периодического подключения к щёткам коллектора!

То есть, у нас на выходе получается система, которая может свободно раскручиваться, при подаче питания на двигатель, и, в любой момент времени, к ней можно подключить/отключить потребителя, с другой стороны!

В прошлом, и по сей день, подобные устройства могут применяться для трансформации токов (несмотря на то, что, по большей части, «покинули арену» из‑за распространения полупроводниковых систем), например, электропоездах разного рода, для преобразования высоковольтного питающего напряжения (3000 В), в низковольтное, переменного тока (220 В), для питания стандартных сетевых устройств на борту:

Желающие ещё больше узнать о роторных преобразователях могут почитать о них, например, вот здесь.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.