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

交流/交流转换器可以依以下的方式分类：

• 间接交流/交流转换器，也称为交流/直流/交流转换器，或是变频器，也就是有整流器、直流链及逆变器的转换器^[1]
• 循环换流器（英语：Cycloconverter）
• 复合矩阵转换器
• 矩阵转换器

三相交流/交流转换器的分类^[2]

有直流链的转换器

（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

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

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]。

相关条目

• 变频器
• 频率变换器
• 稀疏矩阵变换器（英语：Sparse matrix converter）

参考资料

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）.