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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（英语：Cycloconverter）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（英语：Cycloconverter）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（英语：Silicon-controlled rectifier），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（英语：Sparse matrix converter）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

參考資料

  1. ^ Lee, M. Y. Three-level Neutral-point-clamped Matrix Converter Topology (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. Present State and Futuristic Vision of Motor Drive Technology (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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