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交流/交流转换器

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）及矩阵转换器都是交流/交流转换器。

分类

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交流/交流转换器可以依以下的方式分类：

 
三相交流/交流转换器的分类[2]

有直流链的转换器

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（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）：其整流器由二极体电桥组成，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体整流器要大，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

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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

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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，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]。

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参考资料

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  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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