AC-AC转换器概述及类型

AC-AC(交流转交流)转换器用于将具有一个特定频率和幅度的AC波形转换为具有另一频率的另一幅度的AC波形。这种转换主要在机器速度控制的情况下需要，对于低频和可变电压幅度应用也是如此。

众所周知，目前有不同类型的负载与不同类型的电源(如单相、三相电源)一起工作，并且电源也可以根据电压和频率范围进行区分。

什么是AC-AC转换器?

某些情况下，需要特定的电压和特定的频率来操作一些特殊的设备或机器。对于感应电动机的速度控制，主要使用AC-AC转换器(循环转换器)。为了从实际电源中获得所需的交流电源，这时候就需要一些称为AC-AC转换器的转换设备。

因此AC-AC转换器就是把一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电，可以是电压幅值的变换、频率或相数的变换。

AC-AC转换器类型

AC到AC转换器可以不同的使用需求分为不同的类型，主要包括以下几大类：

循环转换器(Cycl Converters)

带直流链路的交流到交流转换器(DC link Converters)

矩阵转换器(Matrix Converters)

混合矩阵转换器(Hybrid Matrix Converters)

1、循环转换器

循环转换器一般被称为变频器，它将具有一种输入频率的交流电源转换为具有不同输出频率的交流电源，也可用于改变交流电源的大小。为了避免直流链路和过多阶段，循环转换器是首选。如果是AC-DC-AC，不但不便宜，并且会导致更多损失。

上图显示了循环转换器的工作原理，其中输入波频率通过改变施加到晶闸管的触发角而改变。通过切换正负桥臂晶闸管，可以获得可变的输出频率，与输入频率相比，它可以是升压或降压频率。

循环转换器根据不同的标准分为不同的类型。一般情况下，循环转换器主要由两个分支组成，即正分支也称为正转换器和负分支也称为负转换器。正分支在正半周期内运行，负分支在负半周期内运行。

基于操作模式的循环转换器

闭锁模式循环转换器;这些循环转换器不需要任何限制反应器，因为在这种模式下，一次只有一个分支(正或负分支)导电，而另一分支被阻塞。因此，这也被称为阻塞模式循环转换器。

循环电流模式循环转换器;这些循环转换器需要限制电抗器，因为正极和负极同时导通，因此放置了一个电抗器来限制循环电流。由于两臂同时导通，系统中会产生环流，故称为循环电流式转换器。

基于输出电压相数的循环转换器分类

1-Ø到1-Ø相位循环转换器;该循环转换器将具有输入频率和t幅度的单相交流波形转换为具有不同幅度和频率的输出交流波形。

3-Ø到1-Ø相位循环转换器;该循环转换器具有具有输入频率和幅度的三相交流电源，并以具有不同输出频率或幅度的单相交流波形产生输出。

3-Ø到3-Ø相位循环转换器;该循环转换器具有具有输入频率和幅度的三相交流电源，并以具有不同输出频率或幅度的三相交流波形产生输出。

基于正、负分支发射角的循环转换器分类

信封循环转换器;在这种类型的循环转换器中，在正半周期间，正半周和负半周的触发角都是固定的。对于正转换器，触发角设置α=0°，在负半周期间，触发角设置α=180°。类似地，对于负转换器，触发角设置α=180°，在正半周期间，在负半周期间，触发角设置α=0°。

相控循环转换器;通过使用这种类型的循环转换器，除了输出频率之外，还可以改变输出电压的幅度。两者都可以通过改变转换器的触发角来改变。

2、带有直流链路的DC-DC转换器

具有直流链路的DC-DC转换器通常由整流器、直流链路和逆变器组成，因为在此过程中，交流通过使用整流器转换为直流。转换成直流电后，直流环节用来储存直流电，然后再通过逆变器转换成交流电。带有DC链路的AC-AC转换器分为两种类型，下面依次介绍下。

电流源逆变器

在这种类型的逆变器中，在整流器和逆变器之间的连接的一个或两个分支之间使用一个或两个串联电感。这里使用的整流器是像晶闸管桥这样的相控开关器件。

电压源逆变器

在这种类型的转换器中，直流链路由一个并联电容器组成，整流器由一个二极管桥组成。对于低负载，二极管桥式电路是首选，因为二极管桥式电路引起的交流线路失真和低功率因数小于晶闸管桥式电路。

但是，不建议将带有DC链路的AC-AC转换器用于高额定功率，因为DC链路无源组件所需的容量会随着额定功率的增加而增加。为了存储高功率，需要高直流存储体积庞大的无源元件，这些无源元件既不经济又不高效，因为将交流转换为直流和直流转换为交流过程的损耗也会增加。

3、矩阵转换器

矩阵转换器用于将交流电直接转换为交流电，无需使用任何直流链路，通过降低直流链路存储元件的成本和损耗来提高系统的可靠性和效率。矩阵转换器由目前几乎不存在但可以通过使用IGBT实现的双向开关组成，这些双向开关能够导通电流和阻断两个极性的电压。

矩阵转换器可以根据使用的组件数量分为不同的类型。

稀疏矩阵转换器

稀疏矩阵变换器的功能与直接矩阵变换器相同，但这里所需的开关数量比直接矩阵变换器少，因此可以通过降低控制复杂度来提高系统的可靠性。稀疏矩阵转换器需要18个二极管、15个晶体管和7个隔离驱动器电位。

非常稀疏的矩阵转换器

与稀疏矩阵转换器相比，非常稀疏的矩阵转换器的二极管数量随着晶体管数量的减少而增加，因此，由于二极管数量更多，导通损耗较高。非常稀疏矩阵转换器的功能类似于稀疏/直接矩阵转换器。

一个非常稀疏的矩阵转换器需要30个二极管、12个晶体管和10个隔离驱动器电位。

超稀疏矩阵转换器

这些用于低动态的变速驱动器，因为该转换器的输入级是单向的，输入电流基波和输入电压之间存在允许的相位偏移。同样，对于输出电压基波和输出电流为30°，因此它们主要用于低动态的变速PSM驱动器。

超稀疏矩阵转换器需要12个二极管、9 个晶体管和7个隔离驱动器电位。

4、混合矩阵转换器

AC/DC/AC转换矩阵转换器称为混合矩阵转换器，与矩阵转换器类似，这些混合转换器也不使用任何电容器或电感器或直流链路。根据转换所用的级数，它们再次分为两种类型，如果电压和电流都在一个阶段进行转换，则该转换器可以称为混合直接矩阵转换器。如果电压和电流在两个不同的阶段进行转换，则该转换器可以称为混合间接矩阵转换器。

应用示例：使用晶闸管的循环转换器

循环转换器主要是关于通过使用带有晶闸管的循环转换器技术来控制单相感应电动机的速度。感应电机是恒速电机，经常用于许多家用电器，如洗衣机、水泵和真空吸尘器。

该电路由连接到微控制器的电源系统(带有变压器、整流器和将交流电转换为直流电的稳压器)组成，交流电源保持在循环转换器上。微控制器与光隔离器和模式选择相连，而循环变流器与电机相连，电路图如下所示：

感应电动机的速度可以分三个阶段变化，即 F、F/2和F/3。微控制器与滑动开关相连，这些开关的状态可以改变，以便微控制器将适当的触发脉冲提供给循环变流器晶闸管双桥。随着触发脉冲的变化，循环变流器的输出波形频率可以改变。这样就可以实现单相感应电动机的速度控制。

总结

以上就是关于一些 AC-AC 转换器的类别及工作原理的相关内容介绍，这些转换器大多出现在与电力电子控制应用相关的大功率转换设备中。