交流/交流轉換器

交流/交流轉換器是將交流的電氣波形轉換為另一種交流電氣波形的設備，其電壓和頻率均可任意調整。像變頻器、循环换流器及矩陣轉換器都是交流/交流轉換器。

分類

交流/交流轉換器可以依以下的方式分類：

三相交流/交流轉換器的分類[2]

有直流鏈的轉換器
（回昇式）的電壓源變頻器[3]
電流源變頻器[4][5]

有直流鏈的轉換器有二種：

  • 電壓源變頻器（VSI）：其整流器由二極體電橋組成，直流鏈則為並接的電容器。
  • 電流源變頻器（CSI）：其整流器由相控的切換元件，直流鏈則為一個或二個串接的電感器，連結整流器和逆變器。

若馬達需要動態剎車，可以用剎車斬波器及電阻器並聯在整流器上來達成。另一種剎車方式是在整流器上反向並聯閘流體，使能量可以回到交流電源端。不過這種相控閘流體為基礎的整流器，在輕載時對電源電壓的歧變比二極體整流器要大，功率因素也比較小。

若交流/交流轉換器希望有近似弦波的輸入電流，以及雙向的功率流動，可以用脈衝寬度調變（PWM）的整流器、PWM的逆變器配合直流鏈達到。直流鏈的大小以逆變器和整流器之間共同的能量儲存元件來表示，在電壓源變頻器中為電容，在電流源變頻器中為電感。PWM整流器控制輸入電流為弦波，可能和交流電源的電壓同相，若是能量回饋到電源端，電流會和電壓反相。

因為直流鏈的儲存元件，整流器和逆變器有相當程度的解耦，有在控制上的好處。不過直流鏈的儲存元件其體積較大，若在電壓源變頻器中使用電解電容器，也潛在的降低了系統的壽命。

循环换流器

循环换流器利用切換元件將輸入波形切換後，產生變頻率，近似弦波的輸出電壓，沒有中間的直流鏈儲存元件。切換元件可能是SCR，不過其輸出頻率需要比輸入電壓的頻率要低。大型的循环换流器（功率約到10 MW）是為壓縮機及風洞機所設計，或是像水泥窯爐之類的變速應用。

矩陣轉換器
傳統的矩陣轉換器[6][7]
間接型的矩陣轉換器[8][9][10]

為了提高功率密度及可靠性，一種可行的作法是考慮矩陣式的架構，將三相輸入和三個輸出用九個雙向的功率晶體來進行切換，每一相輸入都有三個功率晶體連接到三相的輸出，這就是直接型的矩陣轉換器，沒有中介的能量轉換元件，電壓及電流的轉換都在一級的轉換器中完成。

有另外一種間接型的能量轉換方式，可以用間接型的矩陣轉換器，或是由苏黎世联邦理工学院的Johann W. Kolar 教授發明的稀疏矩阵变换器來達成。就像電壓源及電流源的變頻器一樣，會分為幾階來處理電壓及電流的轉換，但直流鏈沒有中介的儲能元件。一般來說，使用矩陣轉換器後，可以減小直流鏈的儲能元件，或是甚至不用，不過會使用很多的功率晶體。矩陣轉換器常視為未來變頻技術的概念之一，不過數十年來的密集研究，在工業上的使用並不多。不過因為近來已可獲得低成本、高效能的半導體，過去幾年已有少數變頻器廠商在提倡矩陣轉換器[11]。

相關條目
  • 变频器
  • 頻率變換器
  • 稀疏矩阵变换器

參考資料
  1. Lee, M. Y. (PDF). University of Nottingham. 2009: 8 [2015-10-22]. （原始内容 (PDF)存档于2014-02-01）.
  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. (PDF). Power Transmission Engineering (www.powertransmission.com). Dec 16, 2010 [Apr 2012]. （原始内容存档 (PDF)于2020-12-05）.
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