交流轉換器

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、循環換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:

•間接交流/交流轉換器,也稱為交流/直流/交流轉換器,或是變頻器,也就是有整流器、直流鏈及逆變器的轉換器

•循環換流器

•複合矩陣轉換器

•矩陣轉換器

有直流鏈的轉換器

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。

循環換流器

循環換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。大型的循環換流器(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套用。

矩陣轉換器

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線到三相的輸出,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,或是由蘇黎世聯邦理工學院的Johann W. Kolar 教授發明的稀疏矩陣變換器來達成。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。

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