AC-AC轉換器概述及類型

AC-AC(交流轉交流)轉換器用于將具有一個特定頻率和幅度的AC波形轉換為具有另一頻率的另一幅度的AC波形。這種轉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電壓和頻率范圍進行區分。

什么是AC-AC轉換器?

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轉換器(循環轉換器)。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轉換器的轉換設備。

因此AC-AC轉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、頻率或相數的變換。

AC-AC轉換器類型

AC到AC轉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：

循環轉換器(Cycl Converte rs)

帶直流鏈路的交流到交流轉換器(DC link Converters)

矩陣轉換器(Matrix Converters)

混合矩陣轉換器(Hybrid Matrix Converters)

1、循環轉換器

循環轉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，循環轉換器是首選。如果是AC-DC-AC，不但不便宜，并且會導致更多損失。

上圖顯示了循環轉換器的工作原理，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。

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

基于操作模式的循環轉換器

閉鎖模式循環轉換器;這些循環轉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轉換器。

循環電流模式循環轉換器;這些循環轉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電流。由于兩臂同時導通，系統中會產生環流，故稱為循環電流式轉換器。

基于輸出電壓相數的循環轉換器分類

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

3-?到1-?相位循環轉換器;該循環轉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生輸出。

3-?到3-?相位循環轉換器;該循環轉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生輸出。

基于正、負分支發射角的循環轉換器分類

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

相控循環轉換器;通過使用這種類型的循環轉換器，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換器的觸發角來改變。

2、帶有直流鏈路的DC-DC轉換器

具有直流鏈路的DC-DC轉換器通常由整流器、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換為直流。轉換成直流電后，直流環節用來儲存直流電，然后再通過逆變器轉換成交流電。帶有DC鏈路的AC-AC轉換器分為兩種類型，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

在這種類型的轉換器中，直流鏈路由一個并聯電容器組成，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小于晶閘管橋式電路。

但是，不建議將帶有DC鏈路的AC-AC轉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濟又不高效，因為將交流轉換為直流和直流轉換為交流過程的損耗也會增加。

3、矩陣轉換器

矩陣轉換器用于將交流電直接轉換為交流電，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的可靠性和效率。矩陣轉換器由目前幾乎不存在但可以通過使用IGBT實現的雙向開關組成，這些雙向開關能夠導通電流和阻斷兩個極性的電壓。

矩陣轉換器可以根據使用的組件數量分為不同的類型。

稀疏矩陣轉換器

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的可靠性。稀疏矩陣轉換器需要18個二極管、15個晶體管和7個隔離驅動器電位。

非常稀疏的矩陣轉換器

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

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

超稀疏矩陣轉換器

這些用于低動態的變速驅動器，因為該轉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的變速PSM驅動器。

超稀疏矩陣轉換器需要12個二極管、9 個晶體管和7個隔離驅動器電位。

4、混合矩陣轉換器

AC/DC/AC轉換矩陣轉換器稱為混合矩陣轉換器，與矩陣轉換器類似，這些混合轉換器也不使用任何電容器或電感器或直流鏈路。根據轉換所用的級數，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換，則該轉換器可以稱為混合直接矩陣轉換器。如果電壓和電流在兩個不同的階段進行轉換，則該轉換器可以稱為混合間接矩陣轉換器。

應用示例：使用晶閘管的循環轉換器

循環轉換器主要是關于通過使用帶有晶閘管的循環轉換器技術來控制單相感應電動機的速度。感應電機是恒速電機，經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(帶有變壓器、整流器和將交流電轉換為直流電的穩壓器)組成，交流電源保持在循環轉換器上。微控制器與光隔離器和模式選擇相連，而循環變流器與電機相連，電路圖如下所示：