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交流/交流转换器

2018-07-26 10:30:46     所属分类:功率电子学

交流/交流转换器是将交流的电气波形转换为另一种交流电气波形的设备,其电压和频率均可任意调整。像变频器、循环换流器英语Cycloconverter矩阵转换器英语Matrix converters都是交流/交流转换器。

目录

  • 1 分类
  • 2 有直流链的转换器
  • 3 循环换流器
  • 4 矩阵转换器
  • 5 相关条目
  • 6 参考资料

分类

交流/交流转换器可以依以下的方式分类:

  • 间接交流/交流转换器,也称为交流/直流/交流转换器,或是变频器,也就是有整流器、直流链及逆变器的转换器[1]
  • 循环换流器英语Cycloconverter
  • 复合矩阵转换器
  • 矩阵转换器英语Matrix converters
三相交流/交流转换器的分类[2]

有直流链的转换器

(回昇式)的电压源变频器[3]
电流源变频器[4][5]

有直流链的转换器有二种:

  • 电压源变频器(VSI):其整流器由二极管电桥组成,直流链则为并接的电容器。
  • 电流源变频器(CSI):其整流器由相控的切换元件,直流链则为一个或二个串接的电感器,连结整流器和逆变器。

若马达需要动态刹车,可以用刹车斩波器及电阻器并联在整流器上来达成。另一种刹车方式是在整流器上反向并联闸流体,使能量可以回到交流电源端。不过这种相控闸流体为基础的整流器,在轻载时对电源电压的歧变比二极管整流器要大,功率因素也比较小。

若交流/交流转换器希望有近似弦波的输入电流,以及双向的功率流动,可以用脉冲宽度调变(PWM)的整流器、PWM的逆变器配合直流链达到。直流链的大小以逆变器和整流器之间共同的能量储存元件来表示,在电压源变频器中为电容,在电流源变频器中为电感。PWM整流器控制输入电流为弦波,可能和交流电源的电压同相,若是能量回馈到电源端,电流会和电压反相。

因为直流链的储存元件,整流器和逆变器有相当程度的解耦,有在控制上的好处。不过直流链的储存元件其体积较大,若在电压源变频器中使用电解电容器,也潜在的降低了系统的寿命。

循环换流器

循环换流器英语Cycloconverter利用切换元件将输入波形切换后,产生变频率,近似弦波的输出电压,没有中间的直流链储存元件。切换元件可能是SCR英语Silicon-controlled rectifier,不过其输出频率需要比输入电压的频率要低。大型的循环换流器(功率约到10 MW)是为压缩机及风洞机所设计,或是像水泥窑炉之类的变速应用。

矩阵转换器

传统的矩阵转换器[6][7]
间接型的矩阵转换器[8][9][10]

为了提高功率密度及可靠性,一种可行的作法是考虑矩阵式的架构,将三相输入和三个输出用九个双向的功率晶体来进行切换,每一相输入都有三个功率晶体连接到三相的输出,这就是直接型的矩阵转换器英语Matrix converters,没有中介的能量转换元件,电压及电流的转换都在一级的转换器中完成。

有另外一种间接型的能量转换方式,可以用间接型的矩阵转换器,或是由苏黎世联邦理工学院的Johann W. Kolar 教授发明的稀疏矩阵变换器英语Sparse matrix converter来达成。就像电压源及电流源的变频器一样,会分为几阶来处理电压及电流的转换,但直流链没有中介的储能元件。一般来说,使用矩阵转换器后,可以减小直流链的储能元件,或是甚至不用,不过会使用很多的功率晶体。矩阵转换器常视为未来变频技术的概念之一,不过数十年来的密集研究,在工业上的使用并不多。不过因为近来已可获得低成本、高效能的半导体,过去几年已有少数变频器厂商在提倡矩阵转换器[11]

相关条目

  • 变频器
  • 频率变换器英语Frequency changer
  • 稀疏矩阵变换器英语Sparse matrix converter

参考资料

  1. ^ Lee, M. Y. Three-level Neutral-point-clamped Matrix Converter Topology (PDF). University of Nottingham. 2009: 8. 
  2. ^ J. W. Kolar, T. Friedli, F. Krismer, S. D. Round, “The Essence of Three-Phase AC/AC Converter Systems”, Proceedings of the 13th Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC'08), Poznan, Poland, pp. 27 – 42, Sept. 1 - 3, 2008.
  3. ^ I. Takahashi, Y. Itoh, “Electrolytic Capacitor-Less PWM Inverter“, in Proceedings of the IPEC’90, Tokyo, Japan, , pp. 131 – 138, April 2 – 6, 1990.
  4. ^ K. Kuusela, M. Salo, H. Tuusa, “A Current Source PWM Converter Fed Permanent Magnet Synchronous Motor Drive with Adjustable DC-Link Current“, in Proceedings of the NORPIE’2000, Aalborg, Denmark, pp. 54 – 58, June 15 – 16, 2000.
  5. ^ M. H. Bierhoff, F. W. Fuchs, “Pulse Width Modulation for Current Source Converters – A Detailed Concept,“ in Proceedings of the 32nd IEEE IECON’06, Paris, France, Nov. 7–10, 2006.
  6. ^ L. Gyugyi, B. R. Pelly, “Static Power Frequency Changers - Theory, Performance, & Application“, New York: J. Wiley, 1976.
  7. ^ W. I. Popow, “Der zwangskommutierte Direktumrichter mit sinusförmiger Ausgangsspannung,“ Elektrie 28, No. 4, pp. 194 – 196, 1974
  8. ^ J. Holtz, U. Boelkens, “Direct Frequency Converter with Sinusoidal Line Currents for Speed-Variable AC Motors“, IEEE Transactions Industry Electronics, Vol. 36, No. 4, pp. 475–479, 1989.
  9. ^ K. Shinohara, Y. Minari, T. Irisa, “Analysis and Fundamental Characteristics of Induction Motor Driven by Voltage Source Inverter without DC Link Components (in Japanese)“, IEEJ Transactions, Vol. 109-D, No. 9, pp. 637 – 644, 1989.
  10. ^ L. Wei, T. A. Lipo, “A Novel Matrix Converter Topology with Simple Commutation“, in Proceedings of the 36th IEEE IAS’01, Chicago, USA, vol. 3, pp. 1749–1754, Sept. 30 – Oct. 4, 2001.
  11. ^ Swamy, Mahesh; Kume, Tsuneo. Present State and Futuristic Vision of Motor Drive Technology (PDF). Power Transmission Engineering (www.powertransmission.com). Dec 16, 2010 [Apr 2012]. 

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