Почему / когда преобразование AC-DC-AC превосходит прямое преобразование AC-AC?

В настоящее время я изучаю энергию ветра и используемую для этого силовую электронику. В ветроэнергетике генератор приводится в движение ветром, поэтому результирующая мощность имеет сильно различающиеся частоты и амплитуды. Энергетическая сеть, в свою очередь, предъявляет строгие требования к входной мощности с точки зрения частоты, сдвига фаз и синусоидальной формы. По этой причине преобразователи энергии сегодня широко используются в ветроэнергетике.

Преобладающим способом передачи энергии в сеть является использование преобразователя переменного тока в постоянный, за которым следуют преобразователь постоянного тока и преобразователь постоянного тока. Это кажется довольно сложным вместо использования одного прямого преобразователя переменного тока в переменный. Почему предпочтительнее косвенное преобразование через промежуточный маршрут DC?

(На самом деле это репост от Engineering , поскольку позже я только узнал, что есть более активная, тематически подходящая, не бета-версия Electric Engineering.)

Существует тип преобразователя, который может сделать это: матричный преобразователь.

Теоретически он может принимать много фаз и производить много фаз в довольно широком диапазоне частот. Это также имеет дополнительное преимущество: не требуется никаких пассивов питания (теоретически), нет большого конденсатора, больших индукторов.

Тем не менее, есть два золотых правила с матричными конвертерами

1. Не замыкай питание
2. Ты не должен размыкать нагрузку

Именно пункт № 2 делает топологию непрактичной, так как простая потеря мощности приведет к взрыву инвертора.

Существует вариант матричного преобразователя, называемый циклопреобразователем, который использует тиристоры и не страдает теми же проблемами, что и полный матричный преобразователь. Он, однако, имеет ограничение, заключающееся в возможности синтезировать выходную частоту примерно на 1/10 от входной частоты. Это ограничение подходит для морских судов, которые обычно используют источники питания 400 Гц, поэтому генерация 40 Гц не слишком ограничивает движение.

Так почему AC-DC-AC вместо прямого AC-AC ... Сложности и ограничения. Инвертор с шестью переключателями чрезвычайно универсален.

Когда возможны два маршрута, редко бывает хороший ответ, почему был выбран один конкретный. Это часто случайности истории, или преимущества того или другого в зависимости от местных отраслей или общих компонентов.

Существует полностью электронный маршрут непосредственно от трехфазного переменного тока на одной частоте к другой, он называется матричным преобразователем. Он содержит 9 переключателей в матрице 3х3 для подключения любой фазы к любой другой. При подходящей синхронизации моментов переключения и подходящих входных и выходных фильтрах он может создавать аналогичное выходное напряжение на входе. Они все чаще используются для моторных приводов.

Тем не менее, я могу думать о многих преимуществах использования промежуточного звена постоянного тока.

Преобразователи переменного тока в постоянный и постоянный ток изготавливаются в большом количестве, в больших размерах для линий постоянного тока, где важна передача на большие расстояния. Это приведет к экономии на масштабе. Они более зрелые, чем матричные преобразователи, поэтому при длительном планировании, связанном с электрической инфраструктурой, более вероятно, что они будут выбраны. Ветровые турбины, как правило, соединяются короткими прыжками с концентраторами перед подключением к одной линии электропередачи на большие расстояния (очень длинные в случае оффшора). Проще объединить энергию при номинальном промежуточном напряжении постоянного тока, упрощая управление. Легче оставаться DC для долгой передачи.

Причиной прямого преобразования переменного тока в переменный является размер и масса дроссельной катушки постоянного тока (или массива конденсаторов). Вы не хотите иметь это, например, в вагоне метро или самолете с резиновыми колесами. В поездах с железными колесами это зависит, потому что большая масса означает лучшее трение.

Это не относится к зданиям.

Вы не можете сэкономить на клапанах (транзисторах или тиристорах). Напротив, преобразователи AC-AC имеют тенденцию иметь больше клапанов (хотя и меньших), чем преобразователи AC-DC-AC. Концепция управления также намного сложнее.

Преобразование AC-DC-AC выигрывает, когда у вас есть несколько различных источников переменного тока для объединения в один выход переменного тока (или когда у вас есть противоположный).

каждый асинхронный генератор генерирует источник переменного тока, который выпрямляется и повышается до напряжения шины постоянного тока, а затем напряжение на шине питает инвертор, подключенный к сети.

Одним из преимуществ преобразования AC-DC-AC является возможность преобразования частоты переменного тока. Также имеется военная мощность 400 Гц, что может привести к значительному уменьшению размера. В моем конкретном случае мне нужен был доступ к двигателям, которые работали в вакуумной камере. Было доступно оборудование для НАСА и военного назначения, которое отвечало нашим требованиям, поэтому мы решили использовать мощность 400 Гц. Я признаю, что оно довольно специализированное, поэтому, вероятно, оно к вам не относится.