AC-AC轉(zhuǎn)換器概述及類型

AC-AC(交流轉(zhuǎn)交流)轉(zhuǎn)換器用于將具有一個特定頻率和幅度的AC波形轉(zhuǎn)換為具有另一頻率的另一幅度的AC波形。這種轉(zhuǎn)換主要在機器速度控制的情況下需要，對于低頻和可變電壓幅度應用也是如此。

眾所周知，目前有不同類型的負載與不同類型的電源(如單相、三相電源)一起工作，并且電源也可以根據(jù)電壓和頻率范圍進行區(qū)分。

什么是AC-AC轉(zhuǎn)換器?

某些情況下，需要特定的電壓和特定的頻率來操作一些特殊的設備或機器。對于感應電動機的速度控制，主要使用AC-AC轉(zhuǎn)換器(循環(huán)轉(zhuǎn)換器)。為了從實際電源中獲得所需的交流電源，這時候就需要一些稱為AC-AC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換設備。

因此AC-AC轉(zhuǎn)換器就是把一種形式的交流電變換成另一種形式的交流電，可以是電壓幅值的變換、頻率或相數(shù)的變換。

AC-AC轉(zhuǎn)換器類型

AC到AC轉(zhuǎn)換器可以不同的使用需求分為不同的類型，主要包括以下幾大類：

循環(huán)轉(zhuǎn)換器(Cycl Converters)

帶直流鏈路的交流到交流轉(zhuǎn)換器(DC link Converters)

矩陣轉(zhuǎn)換器(Matrix Converters)

混合矩陣轉(zhuǎn)換器(Hybrid Matrix Converters)

1、循環(huán)轉(zhuǎn)換器

循環(huán)轉(zhuǎn)換器一般被稱為變頻器，它將具有一種輸入頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為具有不同輸出頻率的交流電源，也可用于改變交流電源的大小。為了避免直流鏈路和過多階段，循環(huán)轉(zhuǎn)換器是首選。如果是AC-DC-AC，不但不便宜，并且會導致更多損失。

上圖顯示了循環(huán)轉(zhuǎn)換器的工作原理，其中輸入波頻率通過改變施加到晶閘管的觸發(fā)角而改變。通過切換正負橋臂晶閘管，可以獲得可變的輸出頻率，與輸入頻率相比，它可以是升壓或降壓頻率。

循環(huán)轉(zhuǎn)換器根據(jù)不同的標準分為不同的類型。一般情況下，循環(huán)轉(zhuǎn)換器主要由兩個分支組成，即正分支也稱為正轉(zhuǎn)換器和負分支也稱為負轉(zhuǎn)換器。正分支在正半周期內(nèi)運行，負分支在負半周期內(nèi)運行。

基于操作模式的循環(huán)轉(zhuǎn)換器

閉鎖模式循環(huán)轉(zhuǎn)換器;這些循環(huán)轉(zhuǎn)換器不需要任何限制反應器，因為在這種模式下，一次只有一個分支(正或負分支)導電，而另一分支被阻塞。因此，這也被稱為阻塞模式循環(huán)轉(zhuǎn)換器。

循環(huán)電流模式循環(huán)轉(zhuǎn)換器;這些循環(huán)轉(zhuǎn)換器需要限制電抗器，因為正極和負極同時導通，因此放置了一個電抗器來限制循環(huán)電流。由于兩臂同時導通，系統(tǒng)中會產(chǎn)生環(huán)流，故稱為循環(huán)電流式轉(zhuǎn)換器。

基于輸出電壓相數(shù)的循環(huán)轉(zhuǎn)換器分類

1-?到1-?相位循環(huán)轉(zhuǎn)換器;該循環(huán)轉(zhuǎn)換器將具有輸入頻率和t幅度的單相交流波形轉(zhuǎn)換為具有不同幅度和頻率的輸出交流波形。

3-?到1-?相位循環(huán)轉(zhuǎn)換器;該循環(huán)轉(zhuǎn)換器具有具有輸入頻率和幅度的三相交流電源，并以具有不同輸出頻率或幅度的單相交流波形產(chǎn)生輸出。

3-?到3-?相位循環(huán)轉(zhuǎn)換器;該循環(huán)轉(zhuǎn)換器具有具有輸入頻率和幅度的三相交流電源，并以具有不同輸出頻率或幅度的三相交流波形產(chǎn)生輸出。

基于正、負分支發(fā)射角的循環(huán)轉(zhuǎn)換器分類

信封循環(huán)轉(zhuǎn)換器;在這種類型的循環(huán)轉(zhuǎn)換器中，在正半周期間，正半周和負半周的觸發(fā)角都是固定的。對于正轉(zhuǎn)換器，觸發(fā)角設置α=0°，在負半周期間，觸發(fā)角設置α=180°。類似地，對于負轉(zhuǎn)換器，觸發(fā)角設置α=180°，在正半周期間，在負半周期間，觸發(fā)角設置α=0°。

相控循環(huán)轉(zhuǎn)換器;通過使用這種類型的循環(huán)轉(zhuǎn)換器，除了輸出頻率之外，還可以改變輸出電壓的幅度。兩者都可以通過改變轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)角來改變。

2、帶有直流鏈路的DC-DC轉(zhuǎn)換器

具有直流鏈路的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常由整流器、直流鏈路和逆變器組成，因為在此過程中，交流通過使用整流器轉(zhuǎn)換為直流。轉(zhuǎn)換成直流電后，直流環(huán)節(jié)用來儲存直流電，然后再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電。帶有DC鏈路的AC-AC轉(zhuǎn)換器分為兩種類型，下面依次介紹下。

電流源逆變器

在這種類型的逆變器中，在整流器和逆變器之間的連接的一個或兩個分支之間使用一個或兩個串聯(lián)電感。這里使用的整流器是像晶閘管橋這樣的相控開關器件。

電壓源逆變器

在這種類型的轉(zhuǎn)換器中，直流鏈路由一個并聯(lián)電容器組成，整流器由一個二極管橋組成。對于低負載，二極管橋式電路是首選，因為二極管橋式電路引起的交流線路失真和低功率因數(shù)小于晶閘管橋式電路。

但是，不建議將帶有DC鏈路的AC-AC轉(zhuǎn)換器用于高額定功率，因為DC鏈路無源組件所需的容量會隨著額定功率的增加而增加。為了存儲高功率，需要高直流存儲體積龐大的無源元件，這些無源元件既不經(jīng)濟又不高效，因為將交流轉(zhuǎn)換為直流和直流轉(zhuǎn)換為交流過程的損耗也會增加。

3、矩陣轉(zhuǎn)換器

矩陣轉(zhuǎn)換器用于將交流電直接轉(zhuǎn)換為交流電，無需使用任何直流鏈路，通過降低直流鏈路存儲元件的成本和損耗來提高系統(tǒng)的可靠性和效率。矩陣轉(zhuǎn)換器由目前幾乎不存在但可以通過使用IGBT實現(xiàn)的雙向開關組成，這些雙向開關能夠?qū)娏骱妥钄鄡蓚€極性的電壓。

矩陣轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)使用的組件數(shù)量分為不同的類型。

稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器

稀疏矩陣變換器的功能與直接矩陣變換器相同，但這里所需的開關數(shù)量比直接矩陣變換器少，因此可以通過降低控制復雜度來提高系統(tǒng)的可靠性。稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器需要18個二極管、15個晶體管和7個隔離驅(qū)動器電位。

非常稀疏的矩陣轉(zhuǎn)換器

與稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器相比，非常稀疏的矩陣轉(zhuǎn)換器的二極管數(shù)量隨著晶體管數(shù)量的減少而增加，因此，由于二極管數(shù)量更多，導通損耗較高。非常稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器的功能類似于稀疏/直接矩陣轉(zhuǎn)換器。

一個非常稀疏的矩陣轉(zhuǎn)換器需要30個二極管、12個晶體管和10個隔離驅(qū)動器電位。

超稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器

這些用于低動態(tài)的變速驅(qū)動器，因為該轉(zhuǎn)換器的輸入級是單向的，輸入電流基波和輸入電壓之間存在允許的相位偏移。同樣，對于輸出電壓基波和輸出電流為30°，因此它們主要用于低動態(tài)的變速PSM驅(qū)動器。

超稀疏矩陣轉(zhuǎn)換器需要12個二極管、9 個晶體管和7個隔離驅(qū)動器電位。

4、混合矩陣轉(zhuǎn)換器

AC/DC/AC轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換器稱為混合矩陣轉(zhuǎn)換器，與矩陣轉(zhuǎn)換器類似，這些混合轉(zhuǎn)換器也不使用任何電容器或電感器或直流鏈路。根據(jù)轉(zhuǎn)換所用的級數(shù)，它們再次分為兩種類型，如果電壓和電流都在一個階段進行轉(zhuǎn)換，則該轉(zhuǎn)換器可以稱為混合直接矩陣轉(zhuǎn)換器。如果電壓和電流在兩個不同的階段進行轉(zhuǎn)換，則該轉(zhuǎn)換器可以稱為混合間接矩陣轉(zhuǎn)換器。

應用示例：使用晶閘管的循環(huán)轉(zhuǎn)換器

循環(huán)轉(zhuǎn)換器主要是關于通過使用帶有晶閘管的循環(huán)轉(zhuǎn)換器技術(shù)來控制單相感應電動機的速度。感應電機是恒速電機，經(jīng)常用于許多家用電器，如洗衣機、水泵和真空吸塵器。

該電路由連接到微控制器的電源系統(tǒng)(帶有變壓器、整流器和將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的穩(wěn)壓器)組成，交流電源保持在循環(huán)轉(zhuǎn)換器上。微控制器與光隔離器和模式選擇相連，而循環(huán)變流器與電機相連，電路圖如下所示：

感應電動機的速度可以分三個階段變化，即 F、F/2和F/3。微控制器與滑動開關相連，這些開關的狀態(tài)可以改變，以便微控制器將適當?shù)挠|發(fā)脈沖提供給循環(huán)變流器晶閘管雙橋。隨著觸發(fā)脈沖的變化，循環(huán)變流器的輸出波形頻率可以改變。這樣就可以實現(xiàn)單相感應電動機的速度控制。

總結(jié)

以上就是關于一些 AC-AC 轉(zhuǎn)換器的類別及工作原理的相關內(nèi)容介紹，這些轉(zhuǎn)換器大多出現(xiàn)在與電力電子控制應用相關的大功率轉(zhuǎn)換設備中。