Преобразователь переменного тока в переменный - AC-to-AC converter

Часть набор на
Энергетика
Преобразование электроэнергии
Электроэнергетическая инфраструктура
Компоненты электроэнергетических систем

Твердотельный Преобразователь переменного тока в переменный преобразует AC форма волны на другой сигнал переменного тока, где выходное напряжение и частота могут быть установлены произвольно.

Категории

Рис. 1: Классификация схем трехфазного преобразователя переменного тока в переменный.[1]

Ссылаясь на рис.1, преобразователи переменного тока в переменный можно разделить на следующие категории:

  • Непрямые преобразователи AC-AC (или AC / DC-AC) (т.е. с выпрямителем, промежуточным звеном и инвертором)[2]
  • Циклоконвертеры
  • Гибридные матричные преобразователи
  • Матричные преобразователи (МК).

Преобразователи звена постоянного тока

Рис.2: Топология (рекуперативного) преобразователя AC / DC-AC с инвертором напряжения[3]
Рис 3: Топология преобразователя AC / DC-AC инвертора источника тока[4][5]

Есть два типа преобразователей со звеном постоянного тока:

  • Преобразователи инверторный источник напряжения (VSI) (рис. 2). В преобразователях VSI выпрямитель состоит из диодного моста, а промежуточное звено постоянного тока состоит из шунтирующего конденсатора.
  • Преобразователи инвертора источника тока (CSI) (рис.3): в преобразователях CSI выпрямитель состоит из моста переключающего устройства с фазовым управлением, а промежуточный контур состоит из 1 или 2 последовательных катушек индуктивности между одним или двумя выводами соединения между выпрямителем и инвертор.

Любые динамическое торможение операция, необходимая для двигателя, может быть реализована с помощью тормозной прерыватель постоянного тока и резисторный шунт, подключенный к выпрямителю. В качестве альтернативы, в секции выпрямителя должен быть предусмотрен встречно-параллельный тиристорный мост для подачи энергии обратно в линию переменного тока. Однако такие тиристорные выпрямители с фазовым управлением имеют более высокие искажения в линии переменного тока и более низкий коэффициент мощности при низкой нагрузке, чем диодные выпрямители.

Преобразователь переменного тока в переменный с приблизительно синусоидальными входными токами и двунаправленным потоком мощности может быть реализован путем соединения широтно-импульсная модуляция (PWM) выпрямитель и инвертор PWM для промежуточного контура. Затем на величину звена постоянного тока влияет элемент накопления энергии, который является общим для обоих каскадов, которым является конденсатор C для звена постоянного тока напряжения или индуктор L для звена постоянного тока по току. Выпрямитель с ШИМ управляется таким образом, что в линии потребляется синусоидальный переменный ток, который находится в фазе или противофазе (для обратной связи по энергии) с соответствующим фазным напряжением линии переменного тока.

Благодаря накопительному элементу звена постоянного тока существует то преимущество, что оба каскада преобразователя в значительной степени развязаны для целей управления. Кроме того, для ступени инвертора PWM существует постоянная, независимая от линии переменного тока входная величина, что приводит к высокому использованию мощности преобразователя. С другой стороны, элемент накопления энергии в звене постоянного тока имеет относительно большой физический объем, и когда используются электролитические конденсаторы, в случае звена постоянного тока напряжения потенциально сокращается срок службы системы.

Циклоконвертеры

Основная статья: Циклоконвертер

Циклоконвертер формирует выходной сигнал переменной частоты приблизительно синусоидальной формы, переключая сегменты входного сигнала на выходной; промежуточного звена постоянного тока нет. С переключающими элементами, такими как SCR, выходная частота должна быть ниже входной. Очень большие циклоконвертеры (порядка 10 МВт) производятся для компрессоров и приводов в аэродинамической трубе или для регулируемых устройств, таких как цемент печи.

Матричные преобразователи

Рис.4: Топология обычного прямого матричного преобразователя [6][7]
Рис 5: Топология косвенного матричного преобразователя [8][9][10]

Для достижения более высокой плотности мощности и надежности имеет смысл рассмотреть матричные преобразователи, которые обеспечивают трехфазное преобразование переменного тока в переменный без какого-либо промежуточного элемента накопления энергии. Обычные прямые матричные преобразователи (рис. 4) выполняют преобразование напряжения и тока за один этап.

Существует альтернативный вариант косвенного преобразования энергии с использованием косвенного матричного преобразователя (рис. 5) или Конвертер разреженной матрицы который был изобретен профессором Иоганном В. Колар из ETH Zurich. Как и в случае контроллеров VSI и CSI на основе звена постоянного тока (рис. 2 и рис. 3), для преобразования напряжения и тока предусмотрены отдельные каскады, но в звене постоянного тока нет промежуточного запоминающего элемента. Как правило, за счет использования матричных преобразователей элемент хранения в звене постоянного тока устраняется за счет большего количества полупроводников. Матричные преобразователи часто рассматриваются как концепция будущего для технологии приводов с регулируемой скоростью, но, несмотря на интенсивные исследования, проводившиеся в течение десятилетий, они до сих пор достигли лишь низкого уровня проникновения в промышленность. Однако, ссылаясь на недавнюю доступность недорогих высокопроизводительных полупроводников, один крупный производитель приводов в течение последних нескольких лет активно продвигал матричные преобразователи.[11]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ JW Kolar, T. Friedli, F. Krismer, SD Round, «Сущность трехфазных систем преобразователей переменного тока в переменный», Труды 13-й конференции по силовой электронике и управлению движением (EPE-PEMC'08), Познань, Польша, С. 27 - 42, 1 - 3 сентября 2008 г.
  2. ^ Ли, М. Ю. (2009). Трехуровневая топология матричного преобразователя с фиксированной нейтралью (PDF). Ноттингемский университет. п. 8. Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-02-01. Получено 2012-04-21.
  3. ^ И. Такахаши, Ю. Ито, «Электролитический безконденсаторный ШИМ-инвертор», в трудах IPEC’90, Токио, Япония, стр. 131–138, 2–6 апреля 1990 г.
  4. ^ К. Куусела, М. Сало, Х. Тууса, «Источник тока с ШИМ-преобразователем, питаемым синхронным двигателем с постоянным магнитом и регулируемым током промежуточного звена», в материалах NORPIE'2000, Ольборг, Дания, стр. 54–58. 15 - 16 июня 2000 г.
  5. ^ М. Х. Бирхофф, Ф. В. Фукс, «Широтно-импульсная модуляция для преобразователей источника тока - подробная концепция», в материалах 32-й конференции IEEE IECON’06, Париж, Франция, 7–10 ноября 2006 г.
  6. ^ Л. Гюджи, Б. Р. Пелли, «Статические преобразователи частоты мощности - теория, характеристики и применение», Нью-Йорк: Дж. Вили, 1976.
  7. ^ В. И. Попов, «Der zwangskommutierte Direktumrichter mit sinusförmiger Ausgangsspannung,» Elektrie 28, No. 4, pp. 194–196, 1974.
  8. ^ J. Holtz, U. Boelkens, «Прямой преобразователь частоты с синусоидальными линейными токами для двигателей переменного тока с регулируемой скоростью», IEEE Transactions on Industry Electronics, Vol. 36, No. 4, pp. 475–479, 1989.
  9. ^ К. Шинохара, Ю. Минари, Т. Ириса, «Анализ и основные характеристики асинхронного двигателя с инвертором источника напряжения без компонентов промежуточного звена (на японском языке)», IEEJ Transactions, Vol. 109-Д, № 9, с. 637 - 644, 1989.
  10. ^ Л. Вэй, Т. А. Липо, «Новая топология матричного преобразователя с простой коммутацией», в материалах 36-го заседания IEEE IAS’01, Чикаго, США, т. 3. С. 1749–1754, 30 сентября - 4 октября 2001 г.
  11. ^ Свами, Махеш; Куме, Цунео (16 декабря 2010 г.). «Современное состояние и футуристическое видение технологии моторных приводов» (PDF). Техника передачи энергии. www.powertransmission.com. Получено 8 октября 2016.