เพาเวอร์อิเล็คทรอนิคส์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทาง ข้ามไปที่การค้นหา
หอ วาล์ว ไทริสเตอร์HVDC สูง 16.8 ม. ในห้องโถงที่ Baltic Cable AB ในสวีเดน
เครื่องชาร์จแบตเตอรี่เป็นตัวอย่างของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลัง
พาวเวอร์ซัพพลายของพีซีเป็นตัวอย่างของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ไม่ว่าจะเป็นภายในหรือภายนอกตู้

อิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นการประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการควบคุมและการแปลงพลังงาน ไฟฟ้า

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นโดยใช้วาล์วปรอท-อาร์ในระบบสมัยใหม่ การแปลงจะดำเนินการด้วย อุปกรณ์สวิตช์ เซมิคอนดักเตอร์เช่นไดโอด ไทริ ส เตอร์ และทรานซิสเตอร์กำลังเช่นMOSFETกำลังและIGBT ตรงกันข้ามกับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการส่งและประมวลผลสัญญาณและข้อมูล พลังงานไฟฟ้าจำนวนมากได้รับการประมวลผลในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวแปลงไฟ AC/DC ( วงจรเรียงกระแส ) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจำนวนมาก เช่นโทรทัศน์คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ฯลฯ โดยทั่วไปช่วงกำลังไฟฟ้าจะมีตั้งแต่หลายสิบวัตต์ไปจนถึงหลายร้อยวัตต์ ในอุตสาหกรรม แอปพลิเคชันทั่วไปคือไดรฟ์แบบปรับความเร็วได้ (VSD)ที่ใช้ในการควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำ ช่วงกำลังของ VSD เริ่มต้นที่ไม่กี่ร้อยวัตต์และสิ้นสุดที่สิบเมกะวัตต์

ระบบแปลงกำลังไฟฟ้าสามารถจำแนกได้ตามประเภทของกำลังไฟฟ้าเข้าและขาออก:

ประวัติ

อิเล็กทรอนิกส์กำลังเริ่มต้นด้วยการพัฒนาตัวเรียงกระแสอาร์กปรอท คิดค้นโดยPeter Cooper Hewittในปี 1902 มันถูกใช้เพื่อแปลงกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC) ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1920 การวิจัยยังคงดำเนินต่อไปเกี่ยวกับการใช้ ไทรา ตรอนและวาล์วอาร์คปรอทที่ควบคุมด้วยกริดเพื่อส่งกำลัง Uno Lammพัฒนาวาล์วปรอทที่มีขั้วไฟฟ้าทำให้เหมาะสำหรับระบบส่งกำลังไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง ในปี 1933 วงจรเรียงกระแสซีลีเนียมถูกประดิษฐ์ขึ้น [1]

Julius Edgar Lilienfeldเสนอแนวคิดของทรานซิสเตอร์แบบ field-effectในปี 1926 แต่ในขณะนั้นไม่สามารถสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง ในปี พ .ศ. 2490 ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบสัมผัสจุดถูกคิดค้นโดยวอลเตอร์ เอช. แบรทเท น และจอห์น บาร์ ดีน ภายใต้การดูแลของวิลเลียม ช็อคลีย์ที่เบลล์แล็บส์ ในปีพ.ศ. 2491 Shockley ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก (BJT) ขึ้นซึ่งช่วยปรับปรุงความเสถียรและประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์และลดต้นทุน ในช่วงทศวรรษที่ 1950 ไดโอด เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงได้ถูกนำ มาใช้และเริ่มเปลี่ยนหลอดสุญญากาศ. ในปีพ.ศ. 2499 บริษัทเจเนอรัลอิเล็ก ทริกได้แนะนำ วงจรเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิกอน (SCR) ซึ่งทำให้ช่วงการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก [3]ในช่วงทศวรรษที่ 1960 ความเร็วการสลับที่ดีขึ้นของทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยกสองขั้วทำให้ตัวแปลง DC/DC ความถี่สูงได้

RD Middlebrookมีส่วนสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ในปี 1970 เขาได้ก่อตั้ง Power Electronics Group ที่Caltech [4]เขาพัฒนาวิธีการวิเคราะห์เฉลี่ยพื้นที่-พื้นที่และเครื่องมืออื่น ๆ ที่สำคัญต่อการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ทันสมัย [5]

เพาเวอร์มอสเฟต

ความก้าวหน้าทางอิเล็กทรอนิกส์กำลังมาพร้อมกับการประดิษฐ์MOSFET (ทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ของโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) โดยMohamed AtallaและDawon Kahngที่Bell Labsในปี 1959 ทรานซิสเตอร์ MOSFET รุ่นต่างๆ ทำให้นักออกแบบพลังงานสามารถบรรลุประสิทธิภาพและระดับความหนาแน่นได้ ด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้ว [6]เนื่องจากการปรับปรุงเทคโนโลยี MOSFET (เริ่มแรกใช้ในการผลิตวงจรรวม ) MOSFET กำลังไฟฟ้าจึงเริ่มมีวางจำหน่ายในปี 1970

ในปีพ.ศ. 2512 ฮิตาชิได้แนะนำ MOSFET แบบแนวตั้งเครื่องแรก[7]ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อVMOS (V-groove MOSFET) [8]ตั้งแต่ปี 1974 Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , SonyและToshibaเริ่มผลิตเครื่องขยายเสียงด้วย MOSFET แบบกำลัง [9] International Rectifierเปิดตัว MOSFET กำลังไฟ 25 A, 400 V ในปี 1978 [10]อุปกรณ์นี้อนุญาตให้ทำงานที่ความถี่สูงกว่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ แต่จำกัดเฉพาะการใช้งานแรงดันต่ำ

MOSFET กำลังเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า ที่ใช้กันมากที่สุด ในโลก เนื่องจากกำลังขับเกตต่ำ ความเร็วในการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว[11]ความสามารถในการขนานขั้นสูงที่ง่าย[11] [12]แบนด์วิดธ์กว้างความทนทาน ขับง่าย การให้น้ำหนักอย่างง่าย ความง่ายในการใช้งานและความสะดวกในการซ่อมแซม [12]มีแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์กำลังหลากหลาย เช่น อุปกรณ์ข้อมูล แบบพกพา วงจรรวมกำลังไฟฟ้าโทรศัพท์มือถือคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กและโครงสร้างพื้นฐานด้านการสื่อสารที่เปิดใช้งานอินเทอร์เน็ต [13]

ในปีพ.ศ. 2525 ได้มีการ แนะนำ ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวน (IGBT) เริ่มแพร่หลายในทศวรรษ 1990 ส่วนประกอบนี้มีความสามารถในการจัดการพลังงานของทรานซิสเตอร์สองขั้วและข้อดีของไดรฟ์เกตแบบแยกของ MOSFET กำลัง

อุปกรณ์

ความสามารถและความประหยัดของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังพิจารณาจากอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ที่มีอยู่ ลักษณะและข้อจำกัดเป็นองค์ประกอบสำคัญในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ก่อนหน้านี้วาล์วอาร์คปรอท วงจรเรียงกระแสความ ร้อนแบบไดโอดแบบสุญญากาศและเติมแก๊ส และอุปกรณ์กระตุ้น เช่น ไทรา ตรอนและอิกนิตรอนถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เนื่องจากการจัดอันดับอุปกรณ์โซลิดสเตตดีขึ้นทั้งในด้านแรงดันและความสามารถในการจัดการกระแสไฟ อุปกรณ์สุญญากาศจึงถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์โซลิดสเตตเกือบทั้งหมด

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสามารถใช้เป็นสวิตช์หรือเป็นเครื่องขยายเสียงได้ [14]สวิตช์ในอุดมคติคือเปิดหรือปิด ดังนั้นจึงไม่มีพลังงานกระจาย มันทนทานต่อแรงดันไฟที่ใช้และไม่ผ่านกระแสหรือผ่านกระแสใด ๆ โดยไม่มีแรงดันตก อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เป็นสวิตช์สามารถประมาณคุณสมบัติในอุดมคตินี้ได้ ดังนั้นแอปพลิเคชั่นไฟฟ้ากำลังส่วนใหญ่อาศัยการเปิดและปิดอุปกรณ์ ซึ่งทำให้ระบบมีประสิทธิภาพมากเนื่องจากสูญเสียพลังงานเพียงเล็กน้อยในสวิตช์ ในทางตรงกันข้าม ในกรณีของแอมพลิฟายเออร์ กระแสที่ไหลผ่านอุปกรณ์จะแปรผันอย่างต่อเนื่องตามอินพุตที่ควบคุม แรงดันและกระแสที่ขั้วอุปกรณ์เป็นไปตามเส้นโหลดและการกระจายพลังงานภายในเครื่องมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับพลังงานที่ส่งไปยังโหลด

คุณลักษณะหลายอย่างกำหนดวิธีการใช้อุปกรณ์ อุปกรณ์ต่างๆ เช่นไดโอดจะทำงานเมื่อมีการจ่ายแรงดันไปข้างหน้าและไม่มีการควบคุมภายนอกสำหรับการเริ่มต้นการนำไฟฟ้า อุปกรณ์จ่ายไฟ เช่น วงจรเรียงกระแส และไทริสเตอร์ ที่ ควบคุมด้วยซิลิกอน (เช่นเดียวกับวาล์วปรอท และไท ราตรอน ) ช่วยให้สามารถควบคุมการเริ่มต้นการนำไฟฟ้าได้ แต่ต้องอาศัยการพลิกกลับของกระแสเป็นระยะๆ เพื่อปิดอุปกรณ์เหล่านี้ อุปกรณ์เช่นเกทเทิร์นออฟไทริสเตอร์BJTและMOSFETทรานซิสเตอร์ให้การควบคุมสวิตชิ่งเต็มรูปแบบและสามารถเปิดหรือปิดได้โดยไม่คำนึงถึงกระแสที่ไหลผ่าน อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ยังอนุญาตให้มีการขยายเสียงตามสัดส่วน แต่จะไม่ค่อยใช้สำหรับระบบที่มีกำลังวัตต์มากกว่าสองสามร้อยวัตต์ ลักษณะอินพุตควบคุมของอุปกรณ์ก็ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบเช่นกัน บางครั้ง อินพุตควบคุมอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมากเมื่อเทียบกับกราวด์ และต้องถูกขับเคลื่อนโดยแหล่งที่แยกได้

เนื่องจากประสิทธิภาพอยู่ในระดับพรีเมียมในตัวแปลงไฟฟ้ากำลัง การสูญเสียที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังควรต่ำที่สุด

อุปกรณ์แตกต่างกันไปตามความเร็วในการเปลี่ยน ไดโอดและไทริสเตอร์บางตัวเหมาะสำหรับความเร็วที่ค่อนข้างช้าและมีประโยชน์สำหรับความถี่กำลังการสลับและการควบคุม ไทริสเตอร์บางตัวมีประโยชน์เพียงไม่กี่กิโลเฮิรตซ์ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น MOSFETS และ BJT สามารถสลับได้ที่ระดับสิบกิโลเฮิรตซ์ถึงสองสามเมกะเฮิรตซ์ในแอปพลิเคชันด้านพลังงาน แต่ด้วยระดับพลังงานที่ลดลง อุปกรณ์หลอดสุญญากาศมีกำลังสูง (หลายร้อยกิโลวัตต์) ที่ความถี่สูงมาก (หลายร้อยหรือหลายพันเมกะเฮิรตซ์) อุปกรณ์สวิตชิ่งที่เร็วกว่าช่วยลดการสูญเสียพลังงานในการเปลี่ยนจากเปิดเป็นปิดและย้อนกลับ แต่อาจสร้างปัญหากับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา วงจรเกทไดรฟ์ (หรือเทียบเท่า) ต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อให้กระแสไฟของไดรฟ์เพียงพอ เพื่อให้ได้ความเร็วสวิตชิ่งเต็มที่เป็นไปได้กับอุปกรณ์ อุปกรณ์ที่ไม่มีไดรฟ์เพียงพอที่จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วอาจถูกทำลายโดยความร้อนที่มากเกินไป

อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงจะมีแรงดันไฟฟ้าตกที่ไม่เป็นศูนย์และจะกระจายพลังงานเมื่อเปิดเครื่อง และใช้เวลาสักครู่เพื่อผ่านบริเวณที่ทำงานอยู่จนกว่าจะถึงสถานะ "เปิด" หรือ "ปิด" การสูญเสียเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของพลังงานที่สูญเสียไปทั้งหมดในคอนเวอร์เตอร์

การจัดการพลังงานและการกระจายพลังงานของอุปกรณ์ก็เป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบเช่นกัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าอาจต้องกระจายความร้อนเหลือทิ้งหลายสิบหรือหลายร้อยวัตต์ แม้กระทั่งการสลับสถานะการนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด ในโหมดสวิตชิ่ง พลังงานที่ควบคุมจะมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานที่สูญเสียไปในสวิตช์อย่างมาก แรงดันตกคร่อมในสถานะการนำไฟฟ้าแปลเป็นความร้อนที่ต้องกระจายออกไป เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงต้องการฮีตซิงก์แบบพิเศษหรือระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟเพื่อจัดการอุณหภูมิทาง แยก เซมิคอนดักเตอร์ที่แปลกใหม่ เช่นซิลิกอนคาร์ไบด์มีความได้เปรียบเหนือซิลิกอนตรงในแง่นี้ และเจอร์เมเนียม เมื่อแกนหลักของอิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตถูกใช้งานเพียงเล็กน้อยเนื่องจากคุณสมบัติอุณหภูมิสูงที่ไม่เอื้ออำนวย

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีพิกัดสูงถึงสองสามกิโลโวลต์ในอุปกรณ์เครื่องเดียว ในกรณีที่ต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก ต้องใช้อุปกรณ์หลายเครื่องเป็นชุด โดยมีเครือข่ายเพื่อปรับแรงดันไฟฟ้าให้เท่ากันในทุกอุปกรณ์ อีกครั้ง ความเร็วในการสลับเป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากอุปกรณ์สวิตช์ที่ช้าที่สุดจะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้าโดยรวมที่ไม่สมส่วน ครั้งหนึ่งวาล์วปรอทมีพิกัดอยู่ที่ 100 kV ในหน่วยเดียว ทำให้การใช้งานในระบบ HVDC ง่ายขึ้น

พิกัดกระแสของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ถูกจำกัดโดยความร้อนที่เกิดขึ้นภายในดายและความร้อนที่พัฒนาขึ้นในความต้านทานของลีดที่เชื่อมต่อถึงกัน อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้กระแสไฟกระจายอย่างสม่ำเสมอภายในอุปกรณ์ผ่านทางแยกภายใน (หรือช่องสัญญาณ) เมื่อ "ฮอตสปอต" เกิดขึ้น เอฟเฟกต์พังทลายสามารถทำลายอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว SCR บางตัวมีพิกัดกระแสที่ 3000 แอมแปร์ในหน่วยเดียว

ตัวแปลง DC/AC (อินเวอร์เตอร์)

ตัวแปลง DC เป็น AC สร้างรูปคลื่นเอาท์พุต AC จากแหล่ง DC แอพพลิเคชั่นต่างๆ ได้แก่ไดรฟ์ความเร็วแบบปรับได้ (ASD), เครื่องสำรองไฟ (UPS), ระบบส่งสัญญาณ AC แบบยืดหยุ่น (FACTS), เครื่องชดเชยแรงดันไฟฟ้า และอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลา ร์ เซลล์ โทโพโลยีสำหรับตัวแปลงเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทที่แตกต่างกัน: อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันและอินเวอร์เตอร์แหล่งกระแส อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดัน (VSIs) ถูกตั้งชื่อเช่นนั้นเนื่องจากเอาต์พุตที่ควบคุมอย่างอิสระเป็นรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน อินเวอร์เตอร์แหล่งกระแส (CSI) มีความแตกต่างตรงที่เอาต์พุต AC ที่ควบคุมเป็นรูปคลื่นกระแส

การแปลงพลังงานจาก DC เป็นไฟฟ้ากระแสสลับเป็นผลมาจากอุปกรณ์สวิตช์กำลัง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นสวิตช์ไฟของเซมิคอนดักเตอร์ที่ควบคุมได้ทั้งหมด ดังนั้น รูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตจึงประกอบขึ้นจากค่าที่ไม่ต่อเนื่อง ทำให้เกิดทรานซิชันที่รวดเร็วมากกว่าแบบที่ราบรื่น สำหรับการใช้งานบางอย่าง แม้แต่การประมาณคร่าวๆ ของรูปคลื่นไซน์ของไฟฟ้ากระแสสลับก็เพียงพอแล้ว ในกรณีที่จำเป็นต้องใช้รูปคลื่นไซน์ใกล้เคียง อุปกรณ์สวิตชิ่งจะทำงานได้เร็วกว่าความถี่เอาท์พุตที่ต้องการมาก และเวลาที่ใช้ในสถานะใดสถานะหนึ่งจะถูกควบคุม ดังนั้นเอาต์พุตเฉลี่ยจะเกือบเป็นไซน์ เทคนิคการมอดูเลตทั่วไปรวมถึงเทคนิคที่ใช้พาหะ หรือการมอดูเลตความกว้างพัลส์เทคนิค สเปซ -เวคเตอร์และเทคนิคการเลือกฮาร์มอนิก [15]

อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันใช้งานได้จริงทั้งแบบเฟสเดียวและสามเฟส VSIs เฟสเดียวใช้การกำหนดค่าแบบฮาล์ฟบริดจ์และฟูลบริดจ์ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแหล่งจ่ายไฟ, UPS เฟสเดียว และโทโพโลยีกำลังสูงที่ซับซ้อนเมื่อใช้ในการกำหนดค่าแบบหลายเซลล์ VSI สามเฟสใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าไซน์ เช่น ASD, UPS และอุปกรณ์ FACTS บางประเภทเช่นSTATCOM นอกจากนี้ยังใช้ในการใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าตามอำเภอใจ เช่น ในกรณีของตัวกรองกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานและตัวชดเชยแรงดันไฟฟ้า [15]

อินเวอร์เตอร์แหล่งกระแสใช้ในการผลิตกระแสไฟขาออก AC จากแหล่งจ่ายกระแสไฟตรง อินเวอร์เตอร์ประเภทนี้เหมาะสำหรับการใช้งานสามเฟสที่ต้องการรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าคุณภาพสูง

อินเวอร์เตอร์ประเภทใหม่ที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์หลายระดับได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSI และ VSI สามารถจำแนกได้เป็นอินเวอร์เตอร์สองระดับ เนื่องจากสวิตช์ไฟเชื่อมต่อกับบัส DC บวกหรือลบ หากขั้วเอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์มีระดับแรงดันไฟเกินสองระดับ เอาต์พุต AC จะประมาณคลื่นไซน์ได้ดีกว่า ด้วยเหตุนี้อินเวอร์เตอร์หลายระดับถึงแม้จะซับซ้อนและมีราคาสูง แต่ก็ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น [16]

อินเวอร์เตอร์แต่ละประเภทจะแตกต่างกันไปตามลิงค์ DC ที่ใช้ และไม่ว่าจะต้องการไดโอดอิสระ หรือไม่ ก็ตาม สามารถกำหนดให้ใช้งานในโหมดคลื่นสี่เหลี่ยมหรือโหมดการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) ได้ ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ โหมดคลื่นสี่เหลี่ยมให้ความเรียบง่าย ในขณะที่ PWM สามารถใช้งานได้หลายวิธี และสร้างรูปคลื่นคุณภาพสูงขึ้น [15]

อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดัน (VSI) ป้อนส่วนอินเวอร์เตอร์เอาท์พุตจากแหล่งจ่ายแรงดันคงที่โดยประมาณ [15]

คุณภาพที่ต้องการของรูปคลื่นเอาท์พุตปัจจุบันเป็นตัวกำหนดว่าต้องเลือกเทคนิคการมอดูเลตแบบใดสำหรับการใช้งานที่กำหนด ผลลัพธ์ของ VSI ประกอบด้วยค่าที่ไม่ต่อเนื่อง เพื่อให้ได้รูปคลื่นกระแสที่ราบรื่น โหลดจะต้องเหนี่ยวนำที่ความถี่ฮาร์มอนิกที่เลือก หากไม่มีการกรองแบบอุปนัยระหว่างแหล่งที่มาและโหลด โหลดแบบคาปาซิทีฟจะทำให้โหลดได้รับรูปคลื่นกระแสไฟที่ไม่สม่ำเสมอ โดยมีกระแสไฟแหลมขนาดใหญ่และบ่อยครั้ง [15]

VSIs มีสามประเภทหลัก:

  1. อินเวอร์เตอร์ฮาล์ฟบริดจ์เฟสเดียว
  2. อินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์เฟสเดียว
  3. อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟสามเฟส

อินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียว

รูปที่ 8:อินพุต AC สำหรับ ASD
รูปที่ 9:อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟแบบครึ่งสะพานเฟสเดียว

อินเวอร์เตอร์ฮาล์ฟบริดจ์แหล่งจ่ายแรงดันไฟเฟสเดียวมีไว้สำหรับการใช้งานที่มีแรงดันไฟต่ำและมักใช้ในอุปกรณ์จ่ายไฟ [15]รูปที่ 9 แสดงแผนผังวงจรของอินเวอร์เตอร์นี้

ฮาร์โมนิกกระแสต่ำจะถูกฉีดกลับไปที่แรงดันต้นทางโดยการทำงานของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่สองตัวเพื่อวัตถุประสงค์ในการกรองในการออกแบบนี้ [15]ดังรูปที่ 9 แสดง สวิตช์แต่ละตัวสามารถเปิดได้ครั้งละหนึ่งขาของอินเวอร์เตอร์ หากสวิตช์ที่ขาทั้งสองเปิดพร้อมกัน แหล่งจ่ายกระแสตรงจะลัดวงจร

อินเวอร์เตอร์สามารถใช้เทคนิคการมอดูเลตได้หลายแบบเพื่อควบคุมรูปแบบการสวิตชิ่ง เทคนิค PWM แบบ carrier-based จะเปรียบเทียบรูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุต AC v cกับสัญญาณแรงดันไฟพาหะv Δ เมื่อ v cมากกว่า v Δ , S+ เปิดอยู่ และเมื่อ v cน้อยกว่า v Δ , S- เปิดอยู่ เมื่อเอาต์พุต AC อยู่ที่ความถี่ fc ด้วยแอมพลิจูดที่ v cและสัญญาณพาหะรูปสามเหลี่ยมอยู่ที่ความถี่ f Δด้วยแอมพลิจูดที่ v Δ PWM จะกลายเป็นกรณีไซน์พิเศษของ PWM แบบพาหะ [15]กรณีนี้เรียกว่าการปรับความกว้างพัลส์ไซน์ (SPWM)สำหรับสิ่งนี้ ดัชนีการมอดูเลต หรืออัตราส่วนแอมพลิจูด-มอดูเลต ถูกกำหนดเป็นm a = v c /v

ความถี่พาหะที่ทำให้เป็นมาตรฐานหรืออัตราส่วนการปรับความถี่ คำนวณโดยใช้สมการm f = f /f c [17]

หากขอบเขตการมอดูเลตเกิน ma เกินหนึ่ง แรงดันเอาต์พุต AC พื้นฐานที่สูงกว่าจะถูกสังเกต แต่จะต้องเสียค่าความอิ่มตัว สำหรับ SPWM ฮาร์โมนิกของรูปคลื่นเอาท์พุตอยู่ที่ความถี่และแอมพลิจูดที่กำหนดไว้อย่างดี วิธีนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบส่วนประกอบการกรองที่จำเป็นสำหรับการฉีดฮาร์โมนิกลำดับต่ำจากการทำงานของอินเวอร์เตอร์ แอมพลิจูดเอาต์พุตสูงสุดในโหมดการทำงานนี้คือครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าต้นทาง ถ้าแอมพลิจูดเอาท์พุตสูงสุด m aเกิน 3.24 รูปคลื่นเอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์จะกลายเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม [15]

ตามความเป็นจริงสำหรับการปรับความกว้างของพัลส์ (PWM) สวิตช์ทั้งสองที่ขาสำหรับการมอดูเลตคลื่นสี่เหลี่ยมไม่สามารถเปิดพร้อมกันได้ เนื่องจากจะทำให้เกิดการลัดวงจรข้ามแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า รูปแบบการสลับกำหนดให้เปิดทั้ง S+ และ S- เป็นเวลาครึ่งรอบของช่วงเอาต์พุต AC [15]แอมพลิจูดเอาต์พุต AC พื้นฐานเท่ากับv o1 = v aN = 2v i .

ฮาร์โมนิกของมันมีแอมพลิจูดของv oh = v o1 / h

ดังนั้น แรงดันไฟขาออก AC ไม่ได้ถูกควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์ แต่ควบคุมโดยขนาดของแรงดันไฟ DC ขาเข้าของอินเวอร์เตอร์ [15]

การใช้การขจัดฮาร์มอนิกแบบเลือกเฟ้น (SHE) เป็นเทคนิคการมอดูเลตช่วยให้การสลับของอินเวอร์เตอร์เพื่อขจัดฮาร์มอนิกภายในแบบคัดเลือก ส่วนประกอบพื้นฐานของแรงดันไฟขาออก AC สามารถปรับได้ภายในช่วงที่ต้องการ เนื่องจากแรงดันไฟขาออก AC ที่ได้จากเทคนิคการมอดูเลตนี้มีความสมมาตรครึ่งคลื่นคี่และคี่ในสี่ส่วน จึงไม่มีฮาร์มอนิกเลย [15]ฮาร์โมนิกภายในที่เป็นคี่ที่ไม่ต้องการ (N-1) จากรูปคลื่นเอาท์พุตสามารถขจัดออกได้

อินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์เฟสเดียว

รูปที่ 3:อินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเฟสเดียว
รูปที่ 4:สัญญาณพาหะและมอดูเลตสำหรับเทคนิคการมอดูเลตแบบสองขั้ว

อินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์นั้นคล้ายกับอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพาน แต่มีขาเพิ่มเติมเพื่อเชื่อมต่อจุดที่เป็นกลางกับโหลด [15]รูปที่ 3 แสดงแผนผังวงจรของอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์แหล่งแรงดันเฟสเดียว

เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟลัดวงจร ไม่สามารถเปิด S1+ และ S1- พร้อมกันได้ และไม่สามารถเปิด S2+ และ S2- พร้อมกันได้ เทคนิคการมอดูเลตที่ใช้สำหรับการกำหนดค่าฟูลบริดจ์ควรมีสวิตช์ด้านบนหรือด้านล่างของแต่ละขาในเวลาใดก็ตาม เนื่องจากขาเพิ่มเติม แอมพลิจูดสูงสุดของรูปคลื่นเอาท์พุตคือ Vi และมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของแอมพลิจูดเอาท์พุตสูงสุดที่ทำได้สำหรับการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ [15]

สถานะ 1 และ 2 จากตารางที่ 2 ใช้เพื่อสร้างแรงดันไฟขาออก AC ด้วย SPWM สองขั้ว แรงดันไฟขาออก AC สามารถใช้ได้เพียงสองค่าเท่านั้น คือ Vi หรือ –Vi ในการสร้างสถานะเดียวกันเหล่านี้โดยใช้การกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ สามารถใช้เทคนิคตามผู้ให้บริการได้ S+ ถูกเปิดสำหรับฮาล์ฟบริดจ์สอดคล้องกับ S1+ และ S2- ที่ถูกเปิดสำหรับฟูลบริดจ์ ในทำนองเดียวกัน S- การเปิดสำหรับฮาล์ฟบริดจ์นั้นสอดคล้องกับ S1- และ S2+ ที่เปิดสำหรับฟูลบริดจ์ แรงดันไฟขาออกสำหรับเทคนิคการมอดูเลตนี้เป็นแบบไซน์มากหรือน้อย โดยมีองค์ประกอบพื้นฐานที่มีแอมพลิจูดในพื้นที่เชิงเส้นที่น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่ง[15] v o1 = v ab1 = v i  • m a

ไม่เหมือนกับเทคนิค bipolar PWM วิธี unipolar ใช้สถานะ 1, 2, 3 และ 4 จากตารางที่ 2 เพื่อสร้างแรงดันไฟ AC ดังนั้น แรงดันไฟขาออก AC สามารถรับค่า Vi, 0 หรือ –V [1]i ในการสร้างสถานะเหล่านี้ จำเป็นต้องมีสัญญาณมอดูเลตไซน์สองสัญญาณ คือ Vc และ –Vc ดังที่แสดงในรูปที่ 4

Vc ถูกใช้เพื่อสร้าง VaN ในขณะที่ –Vc ถูกใช้เพื่อสร้าง VbN ความสัมพันธ์ต่อไปนี้เรียกว่า SPWM ตามผู้ให้บริการแบบ unipolar v o1 = 2 • v aN1 = v i  • m a

แรงดันเฟส VaN และ VbN เหมือนกัน แต่มีเฟสไม่ตรงกัน 180 องศา แรงดันเอาต์พุตเท่ากับความแตกต่างของแรงดันไฟสองเฟส และไม่มีฮาร์โมนิกใดๆ ดังนั้น หากใช้ mf แม้แต่ฮาร์โมนิกของแรงดันไฟขาออก AC ก็จะปรากฏที่ความถี่คี่ปกติ fh ความถี่เหล่านี้มีศูนย์กลางอยู่ที่สองเท่าของค่าความถี่พาหะที่ทำให้เป็นมาตรฐาน คุณลักษณะเฉพาะนี้ช่วยให้สามารถกรองส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงได้เมื่อพยายามให้ได้รูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตคุณภาพสูงกว่า [15]

เช่นเดียวกับกรณีของ SHE แบบครึ่งสะพาน แรงดันไฟขาออก AC ไม่มีฮาร์โมนิกที่เท่ากัน เนื่องจากมีความสมมาตรครึ่งคลื่นคี่และคี่ [15]

อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสามเฟส

รูปที่ 5:แผนผังวงจรอินเวอร์เตอร์แหล่งแรงดันไฟฟ้าสามเฟส
รูปที่ 6:การทำงานของคลื่นสี่เหลี่ยมสามเฟส a) สถานะสวิตช์ S1 b) สถานะสวิตช์ S3 c) เอาต์พุต S1 d) เอาต์พุต S3

VSI เฟสเดียวใช้เป็นหลักสำหรับแอพพลิเคชั่นช่วงพลังงานต่ำ ในขณะที่ VSIs สามเฟสครอบคลุมการใช้งานทั้งช่วงกำลังปานกลางและสูง [15]รูปที่ 5 แสดงแผนผังวงจรสำหรับ VSI สามเฟส

สวิตช์ในสามขาของอินเวอร์เตอร์ไม่สามารถปิดพร้อมกันได้ เนื่องจากส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับขั้วของกระแสไฟตามลำดับ สถานะที่ 7 และ 8 ผลิตแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นศูนย์ ซึ่งส่งผลให้กระแสไฟของสายไฟฟ้ากระแสสลับไหลผ่านส่วนประกอบด้านบนหรือด้านล่างอย่างอิสระ อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าของสายสำหรับสถานะ 1 ถึง 6 จะสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งประกอบด้วยค่า Vi, 0 หรือ –Vi ที่ไม่ต่อเนื่อง [15]

สำหรับ SPWM สามเฟส สัญญาณมอดูเลตสามสัญญาณที่อยู่นอกเฟส 120 องศาจะถูกใช้เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าโหลดนอกเฟส เพื่อรักษาคุณลักษณะ PWM ด้วยสัญญาณพาหะเดียว ความถี่พาหะที่ปรับให้เป็นมาตรฐาน mf จะต้องเป็นผลคูณของสาม สิ่งนี้ทำให้ขนาดของแรงดันเฟสเท่ากัน แต่ไม่อยู่ในเฟส 120 องศา [15]แอมพลิจูดแรงดันเฟสสูงสุดที่ทำได้ในพื้นที่เชิงเส้น ma น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่งคือv เฟส = v ผม  / 2 . แอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ทำได้คือ V ab1 = v ab  • 3  / 2

วิธีเดียวที่จะควบคุมแรงดันโหลดคือการเปลี่ยนแรงดันไฟตรงอินพุต

อินเวอร์เตอร์แหล่งที่มาปัจจุบัน

รูปที่ 7:อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสไฟสามเฟส
รูปที่ 8:รูปคลื่นที่ซิงโครไนซ์-พัลส์-ความกว้าง-มอดูเลตสำหรับอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสไฟสามเฟส a) ตัวพาและมอดูเลต Ssgnals b) สถานะ S1 c) สถานะ S3 d) กระแสไฟขาออก
รูปที่ 9:การแสดง Space-vector ในอินเวอร์เตอร์แหล่งปัจจุบัน

อินเวอร์เตอร์แหล่งที่มาปัจจุบันแปลงกระแสไฟตรงเป็นรูปคลื่นกระแสสลับ ในการใช้งานที่ต้องการรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับไซน์ ควรควบคุมขนาด ความถี่ และเฟสทั้งหมด CSI มีการเปลี่ยนแปลงของกระแสสูงเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นโดยทั่วไปจะใช้ตัวเก็บประจุที่ด้าน AC ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำมักใช้ที่ด้าน DC [15]เนื่องจากไม่มีไดโอดอิสระ ทำให้วงจรไฟฟ้ามีขนาดและน้ำหนักลดลง และมีแนวโน้มที่จะเชื่อถือได้มากกว่า VSI [16]แม้ว่าโทโพโลยีแบบเฟสเดียวจะเป็นไปได้ แต่ CSI แบบสามเฟสก็มีประโยชน์มากกว่า

ในรูปแบบทั่วไปที่สุด CSI แบบสามเฟสใช้ลำดับการนำไฟฟ้าเดียวกันกับวงจรเรียงกระแสแบบหกพัลส์ เปิดสวิตช์แคโทดร่วมกันและสวิตช์แอโนดร่วมเพียงตัวเดียวเมื่อใดก็ได้ [16]

เป็นผลให้กระแสเส้นใช้ค่าที่ไม่ต่อเนื่องของ –ii, 0 และ ii สถานะถูกเลือกเพื่อให้รูปคลื่นที่ต้องการถูกส่งออก และใช้เฉพาะสถานะที่ถูกต้องเท่านั้น การเลือกนี้ขึ้นอยู่กับเทคนิคการมอดูเลต ซึ่งรวมถึง PWM แบบ carrier-based, การกำจัดฮาร์มอนิกแบบคัดเลือก และเทคนิคสเปซ-เวคเตอร์ [15]

เทคนิคที่ใช้พาหะที่ใช้สำหรับ VSI สามารถนำไปใช้กับ CSI ได้ ส่งผลให้กระแสของสาย CSI ทำงานในลักษณะเดียวกับแรงดันไฟฟ้าของสาย VSI วงจรดิจิตอลที่ใช้สำหรับมอดูเลตสัญญาณประกอบด้วยเครื่องกำเนิดพัลส์สวิตชิ่ง เครื่องกำเนิดพัลส์ช็อต เครื่องจ่ายพัลส์ช็อต และตัวรวมพัลส์สวิตชิ่งและการลัดวงจร สัญญาณเกตติ้งถูกสร้างขึ้นตามกระแสพาหะและสัญญาณมอดูเลตสามสัญญาณ [15]

สัญญาณนี้จะเพิ่มพัลส์ช็อตลงในสัญญาณเมื่อไม่มีสวิตช์บนและไม่ได้ปิดสวิตช์ด้านล่าง ทำให้กระแส RMS เท่ากันในทุกขา วิธีการเดียวกันนี้ใช้สำหรับแต่ละเฟส อย่างไรก็ตาม ตัวแปรสวิตชิ่งอยู่ห่างจากเฟส 120 องศาเมื่อเทียบกับอีกเฟสหนึ่ง และพัลส์ปัจจุบันจะถูกเปลี่ยนครึ่งรอบตามกระแสเอาต์พุต หากมีการใช้พาหะสามเหลี่ยมร่วมกับสัญญาณมอดูเลตซายน์ CSI จะถูกกล่าวว่าใช้การปรับความกว้างพัลส์ซิงโครไนซ์ (SPWM) หากใช้โอเวอร์มอดูเลตแบบเต็มร่วมกับ SPWM อินเวอร์เตอร์จะเรียกว่าการทำงานแบบคลื่นสี่เหลี่ยม [15]

หมวดหมู่การปรับ CSI ที่สอง SHE ก็คล้ายกับคู่ VSI การใช้สัญญาณเกตติ้งที่พัฒนาขึ้นสำหรับ VSI และชุดของสัญญาณกระแสไซน์ที่ซิงโครไนซ์ ส่งผลให้พัลส์ลัดวงจรแบบกระจายอย่างสมมาตร และด้วยเหตุนี้ จึงเป็นรูปแบบเกตติ้งที่สมมาตร สิ่งนี้ทำให้สามารถขจัดฮาร์โมนิกจำนวนเท่าใดก็ได้ [15]นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมกระแสเส้นพื้นฐานผ่านการเลือกมุมสวิตชิ่งหลักที่เหมาะสม รูปแบบการสลับที่เหมาะสมที่สุดต้องมีสมมาตรแบบครึ่งคลื่นและครึ่งคลื่น เช่นเดียวกับสมมาตรประมาณ 30 องศาและ 150 องศา ไม่อนุญาตให้ใช้รูปแบบการสลับระหว่าง 60 องศาถึง 120 องศา ระลอกปัจจุบันสามารถลดลงได้อีกด้วยการใช้ตัวเก็บประจุเอาต์พุตที่ใหญ่ขึ้น หรือโดยการเพิ่มจำนวนพัลส์สวิตชิ่ง [16]

หมวดหมู่ที่สาม การมอดูเลตแบบอิงพื้นที่เวกเตอร์ สร้างกระแสโหลดของสายโหลด PWM โดยเฉลี่ยที่เท่ากันของสายโหลด สถานะการสลับที่ถูกต้องและการเลือกเวลาจะทำแบบดิจิทัลตามการแปลงเวกเตอร์ของพื้นที่ การมอดูเลตสัญญาณจะแสดงเป็นเวกเตอร์เชิงซ้อนโดยใช้สมการการแปลง สำหรับสัญญาณไซน์สามเฟสที่สมดุล เวกเตอร์นี้จะกลายเป็นโมดูลคงที่ ซึ่งหมุนด้วยความถี่ ω จากนั้นเวกเตอร์ช่องว่างเหล่านี้จะถูกใช้เพื่อประมาณสัญญาณมอดูเลต ถ้าสัญญาณอยู่ระหว่างเวกเตอร์ที่กำหนดเอง เวกเตอร์จะถูกรวมเข้ากับเวกเตอร์ศูนย์ I7, I8 หรือ I9 [15]ใช้สมการต่อไปนี้เพื่อให้แน่ใจว่ากระแสที่สร้างขึ้นและเวกเตอร์ปัจจุบันมีค่าเท่ากันโดยเฉลี่ย

อินเวอร์เตอร์หลายระดับ

รูปที่ 10 : อินเวอร์เตอร์แบบหนีบเป็นกลางสามระดับ

คลาสที่ค่อนข้างใหม่ที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์หลายระดับได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSI และ VSI สามารถจัดเป็นอินเวอร์เตอร์แบบสองระดับได้ เนื่องจากสวิตช์ไฟเชื่อมต่อกับบัส DC บวกหรือลบ [16]หากมีระดับแรงดันไฟเกินสองระดับสำหรับขั้วต่อเอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์ เอาต์พุต AC จะประมาณคลื่นไซน์ได้ดีกว่า [15]ด้วยเหตุผลนี้ อินเวอร์เตอร์หลายระดับ แม้จะซับซ้อนและมีราคาสูง แต่ก็ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น [16]อินเวอร์เตอร์แบบหนีบเป็นกลางสามระดับแสดงในรูปที่ 10

วิธีการควบคุมสำหรับอินเวอร์เตอร์สามระดับอนุญาตให้สวิตช์สองตัวของสวิตช์สี่ตัวในแต่ละขาเท่านั้นเพื่อเปลี่ยนสถานะการนำไฟฟ้าพร้อมกัน ซึ่งช่วยให้สลับสับเปลี่ยนได้อย่างราบรื่นและหลีกเลี่ยงการยิงทะลุโดยการเลือกสถานะที่ถูกต้องเท่านั้น [16]นอกจากนี้ยังอาจสังเกตด้วยว่าเนื่องจากแรงดันไฟ DC บัสถูกใช้ร่วมกับวาล์วกำลังอย่างน้อยสองตัว พิกัดแรงดันไฟของพวกมันอาจน้อยกว่าคู่ขนานสองระดับ

เทคนิคการมอดูเลตตามพาหะและสเปซเวคเตอร์ใช้สำหรับโทโพโลยีหลายระดับ วิธีการสำหรับเทคนิคเหล่านี้เป็นไปตามวิธีของอินเวอร์เตอร์แบบคลาสสิก แต่มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น การมอดูเลตเวคเตอร์แบบเวคเตอร์มีเวคเตอร์แรงดันไฟคงที่จำนวนมากขึ้นเพื่อใช้ในการประมาณสัญญาณมอดูเลต ดังนั้นจึงช่วยให้กลยุทธ์ PWM สเปซเวคเตอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยต้นทุนของอัลกอริธึมที่ซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นและจำนวนของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อินเวอร์เตอร์หลายระดับจึงเหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงกำลังสูงในปัจจุบัน [16] เทคโนโลยีนี้ช่วยลดฮาร์โมนิกส์ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของโครงร่าง

ตัวแปลงไฟ AC/AC

การแปลงไฟ AC เป็นไฟ AC ช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และเฟสของรูปคลื่นที่ใช้กับโหลดจากระบบ AC ที่ให้มา [18]สองหมวดหมู่หลักที่สามารถใช้เพื่อแยกประเภทของคอนเวอร์เตอร์คือการเปลี่ยนแปลงความถี่ของรูปคลื่นหรือไม่ [19] ตัวแปลงไฟ AC/ACที่ไม่อนุญาตให้ผู้ใช้ปรับเปลี่ยนความถี่เรียกว่า AC Voltage Controllers หรือ AC Regulators ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับที่อนุญาตให้ผู้ใช้เปลี่ยนความถี่นั้นเรียกง่ายๆ ว่าตัวแปลงความถี่สำหรับการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ภายใต้ตัวแปลงความถี่ มีตัวแปลงที่แตกต่างกันสามประเภทที่โดยทั่วไปใช้: ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ ตัวแปลงเมทริกซ์ ตัวแปลง DC ลิงค์ (หรือที่รู้จักว่าตัวแปลง AC/DC/AC)

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ:จุดประสงค์ของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับหรือตัวควบคุมกระแสสลับคือเพื่อเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า RMS ข้ามโหลดในขณะที่ความถี่คงที่ [18]วิธีการควบคุมสามวิธีซึ่งเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ได้แก่ การควบคุม ON/OFF, การควบคุมเฟส-แองเกิล และการควบคุมการมอดูเลต AC แบบปรับความกว้างพัลส์ (PWM AC Chopper Control) [20]ทั้งสามวิธีนี้สามารถนำมาใช้ได้ไม่เฉพาะในวงจรเฟสเดียว แต่ในวงจรสามเฟสด้วย

  • การควบคุมการเปิด/ปิด: โดยทั่วไปจะใช้สำหรับการให้ความร้อนโหลดหรือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ วิธีการควบคุมนี้เกี่ยวข้องกับการเปิดสวิตช์สำหรับ n รอบอินทิกรัล และการปิดสวิตช์สำหรับ m อินทิกรัล รอบ เนื่องจากการเปิดและปิดสวิตช์ทำให้เกิดฮาร์โมนิกที่ไม่ต้องการ สวิตช์จึงเปิดและปิดในระหว่างสภาวะแรงดันไฟเป็นศูนย์และสภาวะกระแสไฟเป็นศูนย์ (การข้ามศูนย์) ซึ่งช่วยลดความผิดเพี้ยนได้อย่างมีประสิทธิภาพ (20)
  • การควบคุมเฟส-แองเกิล: มีวงจรหลายแบบเพื่อใช้การควบคุมมุมเฟสกับรูปคลื่นต่างๆ เช่น การควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบครึ่งคลื่นหรือแบบเต็มคลื่น ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้โดยทั่วไป ได้แก่ ไดโอด SCR และ Triacs ด้วยการใช้ส่วนประกอบเหล่านี้ ผู้ใช้สามารถชะลอมุมการยิงในคลื่น ซึ่งจะทำให้คลื่นบางส่วนอยู่ในเอาต์พุต [18]
  • การควบคุม PWM AC Chopper: อีกสองวิธีในการควบคุมมักจะมีฮาร์โมนิกที่ไม่ดี คุณภาพกระแสไฟขาออก และตัวประกอบกำลังอินพุต เพื่อปรับปรุงค่าเหล่านี้ สามารถใช้ PWM แทนวิธีการอื่นๆ สิ่งที่ PWM AC Chopper ทำคือมีสวิตช์ที่เปิดและปิดหลายครั้งภายในครึ่งรอบของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสลับกัน (20)

เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์และไซโคลคอนเวอร์เตอร์: ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสำหรับการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ เนื่องจากสามารถใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานสูงได้ เป็นตัวแปลงความถี่ตรงที่สับเปลี่ยนที่ซิงโครไนซ์โดยสายจ่าย รูปคลื่นแรงดันไฟขาออกของ cycloconverters มีฮาร์โมนิกที่ซับซ้อนโดยฮาร์มอนิกที่มีลำดับสูงกว่าถูกกรองโดยตัวเหนี่ยวนำของเครื่อง ทำให้กระแสของเครื่องมีฮาร์โมนิกน้อยลง ในขณะที่ฮาร์โมนิกที่เหลือทำให้เกิดการสูญเสียและแรงบิดเป็นจังหวะ โปรดทราบว่าในไซโคลคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งแตกต่างจากคอนเวอร์เตอร์อื่นๆ ไม่มีตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุ กล่าวคือ ไม่มีอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ด้วยเหตุนี้ กำลังไฟฟ้าเข้าในทันทีและกำลังส่งออกจึงเท่ากัน (21)

  • ไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวถึง เฟส เดียว : ไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวถึงเฟสเดียวเริ่มได้รับความสนใจมากขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้[ เมื่อไหร่? ]เนื่องจากการลดลงของทั้งขนาดและราคาของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงแบบเฟสเดียวสามารถเป็นได้ทั้งแบบไซน์หรือสี่เหลี่ยมคางหมู สิ่งเหล่านี้อาจเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์เพื่อวัตถุประสงค์ในการควบคุมหรือการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์
  • ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ แบบสามเฟสถึงเฟสเดียว : ไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบสาม เฟสถึงเฟสเดียวมีสองประเภท: ไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบครึ่งคลื่นขนาด 3φ ถึง 1φ และไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบบริดจ์ 3φ ถึง 1φ ตัวแปลงทั้งขั้วบวกและขั้วลบสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองขั้ว ส่งผลให้ตัวแปลงขั้วบวกจ่ายกระแสไฟบวกเท่านั้น และตัวแปลงขั้วลบจะให้เฉพาะกระแสลบเท่านั้น

ด้วยความก้าวหน้าของอุปกรณ์ล่าสุด ไซโคลคอนเวอร์เตอร์รูปแบบใหม่กำลังได้รับการพัฒนา เช่น เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ การเปลี่ยนแปลงครั้งแรกที่สังเกตเห็นครั้งแรกคือเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ใช้สวิตช์ไบโพลาร์แบบสองทิศทาง ตัวแปลงเมทริกซ์เฟสเดียวเป็นเฟสเดียวประกอบด้วยเมทริกซ์ของสวิตช์ 9 ตัวที่เชื่อมต่อเฟสอินพุตสามเฟสกับเฟสเอาต์พุตทรี เฟสอินพุตและเฟสเอาต์พุตใดๆ สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันได้ตลอดเวลาโดยไม่ต้องเชื่อมต่อสวิตช์สองตัวจากเฟสเดียวกันพร้อมกัน มิฉะนั้นจะทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรของเฟสอินพุต เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์มีน้ำหนักเบา กะทัดรัด และใช้งานได้หลากหลายกว่าโซลูชั่นคอนเวอร์เตอร์อื่นๆ เป็นผลให้พวกเขาสามารถบรรลุการรวมในระดับที่สูงขึ้น, การทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น,

ตัวแปลงเมทริกซ์แบ่งออกเป็นสองประเภท: ตัวแปลงทางตรงและทางอ้อม ตัวแปลงเมทริกซ์โดยตรงที่มีอินพุตสามเฟสและเอาต์พุตสามเฟส สวิตช์ในตัวแปลงเมทริกซ์ต้องเป็นแบบสองทิศทาง กล่าวคือ จะต้องสามารถบล็อกแรงดันไฟฟ้าของขั้วใดขั้วหนึ่งและนำกระแสในทิศทางใดทิศทางหนึ่งได้ กลยุทธ์การสวิตชิ่งนี้อนุญาตให้แรงดันเอาต์พุตสูงสุด และลดกระแสด้านสายรีแอกทีฟ ดังนั้นกระแสไฟที่ไหลผ่านคอนเวอร์เตอร์จึงสามารถย้อนกลับได้ เนื่องจากปัญหาการสับเปลี่ยนและการควบคุมที่ซับซ้อนทำให้ไม่นำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม

ไม่เหมือนกับไดเร็กเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ ตัวแปลงเมทริกซ์ทางอ้อมมีฟังก์ชันการทำงานเหมือนกัน แต่ใช้ส่วนอินพุตและเอาต์พุตแยกกันที่เชื่อมต่อผ่านลิงก์ dc โดยไม่มีองค์ประกอบหน่วยเก็บข้อมูล การออกแบบประกอบด้วยเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบแหล่งกระแสสี่ควอดแรนท์และอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟ ส่วนอินพุตประกอบด้วยสวิตช์ไบโพลาร์แบบสองทิศทาง กลยุทธ์การสับเปลี่ยนสามารถใช้ได้โดยการเปลี่ยนสถานะการสลับของส่วนอินพุตในขณะที่ส่วนเอาต์พุตอยู่ในโหมดการหมุนอิสระ อัลกอริธึมการสับเปลี่ยนนี้ซับซ้อนน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด และมีความน่าเชื่อถือสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับไดเร็กต์เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ทั่วไป [22]

ตัวแปลง DC ลิงค์: ตัวแปลง DC Link หรือที่เรียกว่าตัวแปลง AC/DC/AC แปลงอินพุต AC เป็นเอาต์พุต AC โดยใช้ DC ลิงค์ที่อยู่ตรงกลาง หมายความว่าพลังงานในตัวแปลงจะถูกแปลงเป็น DC จาก AC โดยใช้วงจรเรียงกระแสจากนั้นจะถูกแปลงกลับเป็น AC จาก DC โดยใช้อินเวอร์เตอร์ ผลลัพธ์ที่ได้คือเอาต์พุตที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำและความถี่ผันแปร (สูงหรือต่ำกว่า) [20]เนื่องจากขอบเขตการใช้งานที่กว้างขวาง คอนเวอร์เตอร์ AC/DC/AC จึงเป็นโซลูชันร่วมสมัยที่พบได้บ่อยที่สุด ข้อดีอื่นๆ ของคอนเวอร์เตอร์ AC/DC/AC คือมีเสถียรภาพในสภาวะโอเวอร์โหลดและไม่มีโหลด รวมทั้งสามารถปลดออกจากโหลดได้โดยไม่เกิดความเสียหาย [23]

ตัวแปลงเมทริกซ์ไฮบริด : ตัวแปลงเมทริกซ์ไฮบริดค่อนข้างใหม่สำหรับตัวแปลง AC/AC คอนเวอร์เตอร์เหล่านี้รวมการออกแบบ AC/DC/AC เข้ากับการออกแบบเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ คอนเวอร์เตอร์แบบไฮบริดหลายประเภทได้รับการพัฒนาในหมวดหมู่ใหม่นี้ เช่น คอนเวอร์เตอร์ที่ใช้สวิตช์แบบทิศทางเดียวและคอนเวอร์เตอร์สองสเตจที่ไม่มี dc-link; หากไม่มีตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำที่จำเป็นสำหรับ dc-link น้ำหนักและขนาดของตัวแปลงจะลดลง มีหมวดหมู่ย่อยสองประเภทจากตัวแปลงไฮบริด ชื่อไฮบริดไดเร็กต์เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ (HDMC) และไฮบริดเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ทางอ้อม (HIMC) HDMC แปลงแรงดันและกระแสไฟในขั้นตอนเดียว ในขณะที่ HIMC ใช้ขั้นตอนที่แยกจากกัน เช่น ตัวแปลง AC/DC/AC แต่ไม่ได้ใช้องค์ประกอบจัดเก็บข้อมูลระดับกลาง [24] [25]

แอปพลิเคชัน:ด้านล่างนี้คือรายการแอปพลิเคชันทั่วไปที่ใช้ตัวแปลงแต่ละตัว

  • ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ: การควบคุมแสงสว่าง; เครื่องทำความร้อนในประเทศและอุตสาหกรรม การควบคุมความเร็วของพัดลม ปั๊มหรือตัวขับรอก การสตาร์ทแบบนุ่มนวลของมอเตอร์เหนี่ยวนำ สวิตช์ AC แบบสถิต[18] (การควบคุมอุณหภูมิ การเปลี่ยนแทปหม้อแปลง ฯลฯ)
  • Cycloconverter: มอเตอร์ไดรฟ์ AC แบบย้อนกลับความเร็วต่ำกำลังสูง; แหล่งจ่ายไฟความถี่คงที่พร้อมความถี่อินพุตตัวแปร เครื่องกำเนิด VAR ที่ควบคุมได้สำหรับการแก้ไขตัวประกอบกำลัง ระบบ AC เชื่อมโยงระบบไฟฟ้าสองระบบที่เป็นอิสระต่อกัน [18]
  • เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์: ในปัจจุบัน แอพพลิเคชั่นของเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ถูกจำกัดเนื่องจากการไม่มีสวิตช์แบบเสาหินทวิภาคีที่สามารถทำงานได้ที่ความถี่สูง การบังคับใช้กฎหมายควบคุมที่ซับซ้อน การเปลี่ยน และสาเหตุอื่นๆ ด้วยการพัฒนาเหล่านี้ เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์สามารถแทนที่ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ได้ในหลายพื้นที่ [18]
  • ลิงค์ DC: สามารถใช้กับงานเดี่ยวหรือโหลดหลายครั้งของการสร้างและก่อสร้างเครื่องจักร [23]

การจำลองระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

แรงดันไฟขาออกของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นพร้อมไทริสเตอร์ควบคุม

วงจรไฟฟ้ากำลังจำลองโดยใช้โปรแกรมจำลองคอมพิวเตอร์ เช่นPLECS , PSIM , SPICE , และMATLAB /simulink วงจรจะถูกจำลองก่อนที่จะผลิตขึ้นเพื่อทดสอบว่าวงจรตอบสนองอย่างไรภายใต้เงื่อนไขบางประการ นอกจากนี้ การสร้างแบบจำลองยังมีราคาถูกและเร็วกว่าการสร้างต้นแบบเพื่อใช้ในการทดสอบอีกด้วย (26)

แอปพลิเคชัน

การใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดตั้งแต่แหล่งจ่ายไฟแบบสลับโหมดในอะแดปเตอร์ ACเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ เครื่องขยายเสียง บัลลาสต์ หลอดฟลูออเร สเซนต์ ผ่านไดรฟ์ความถี่ผันแปรและไดรฟ์มอเตอร์กระแสตรงที่ใช้กับปั๊ม พัดลม และเครื่องจักรในการผลิต สูงสุดกิกะวัตต์ -ขนาด ระบบส่งกำลัง ไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงที่ใช้เชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังพบได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิด ตัวอย่างเช่น:

  • ตัวแปลง DC/DCใช้ในอุปกรณ์พกพาส่วนใหญ่ (โทรศัพท์มือถือ, PDA เป็นต้น) เพื่อรักษาแรงดันไฟไว้ที่ค่าคงที่ไม่ว่าระดับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะเป็นอย่างไร ตัวแปลงเหล่านี้ยังใช้สำหรับการแยกทางอิเล็กทรอนิกส์และการแก้ไขตัวประกอบกำลัง เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานคือตัวแปลง DC/DC ชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มการเก็บเกี่ยวพลังงานจากระบบ ไฟฟ้าโซลาร์ เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์หรือกังหันลม
  • ตัวแปลงไฟ AC/DC ( วงจรเรียงกระแส ) ถูกใช้ทุกครั้งที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก (คอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ ฯลฯ) สิ่งเหล่านี้อาจเพียงแค่เปลี่ยน AC เป็น DC หรือสามารถเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของการทำงาน
  • ตัวแปลงไฟ AC/AC ใช้สำหรับเปลี่ยนระดับแรงดันไฟหรือความถี่ ในเครือข่ายการจ่ายไฟฟ้า ตัวแปลง AC/AC อาจใช้เพื่อแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่าง กริดพลังงาน ความถี่ 50 Hz และ 60 Hz
  • ตัวแปลง DC/AC ( อินเวอร์เตอร์ ) ใช้เป็นหลักในUPSหรือระบบพลังงานหมุนเวียนหรือระบบไฟฉุกเฉิน แหล่งจ่ายไฟหลักจะชาร์จแบตเตอรี่ DC หากไฟฟ้าดับ อินเวอร์เตอร์จะผลิตไฟฟ้ากระแสสลับที่แรงดันไฟหลักจากแบตเตอรี่ DC อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ทั้งแบบสตริงที่เล็กกว่าและอินเวอร์เตอร์กลางที่ใหญ่กว่า รวมถึงไมโครอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์เป็นส่วนประกอบของระบบเซลล์แสงอาทิตย์

มอเตอร์ไดรฟ์พบได้ในปั๊ม โบลเวอร์ และไดรฟ์สำหรับสิ่งทอ กระดาษ ซีเมนต์ และสิ่งอำนวยความสะดวกอื่นๆ ไดรฟ์สามารถใช้สำหรับการแปลงกำลังและสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหว [27]สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ การใช้งานรวมถึง ได ฟ์ความถี่ตัวแปรมอเตอร์สตาร์ทแบบนิ่มและระบบกระตุ้น (28)

ในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV) ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกใช้ในสองรูปแบบ: ไฮบริดซีรีส์และไฮบริดคู่ขนาน ความแตกต่างระหว่างซีรีส์ไฮบริดและไฮบริดคู่ขนานคือความสัมพันธ์ของมอเตอร์ไฟฟ้ากับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) อุปกรณ์ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยคอนเวอร์เตอร์ dc/dc สำหรับการชาร์จแบตเตอรี่และคอนเวอร์เตอร์ dc/ac สำหรับจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อน รถไฟฟ้าใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อให้ได้พลังงาน เช่นเดียวกับการควบคุมเวกเตอร์โดยใช้ วงจรเรียงกระแส แบบปรับความกว้างพัลส์ (PWM) รถไฟได้รับพลังงานจากสายไฟ การใช้งานใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอยู่ในระบบลิฟต์ ระบบเหล่านี้อาจใช้ไทริสเตอร์ อินเวอร์เตอร์มอเตอร์ แม่เหล็กถาวรหรือระบบไฮบริดต่างๆ ที่รวมระบบ PWM และมอเตอร์มาตรฐาน [29]

อินเวอร์เตอร์

โดยทั่วไป อินเวอร์เตอร์จะใช้ในการใช้งานที่ต้องการการแปลงพลังงานไฟฟ้าจาก DC เป็น AC โดยตรง หรือการแปลงทางอ้อมจาก AC เป็น AC การแปลงกระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับมีประโยชน์ในหลายสาขา รวมทั้งการปรับสภาพพลังงาน การชดเชยฮาร์มอนิก มอเตอร์ไดรฟ์ การรวมกริดพลังงานหมุนเวียน และระบบ พลังงานแสงอาทิตย์ของยานอวกาศ

ในระบบไฟฟ้ามักจะต้องการกำจัดเนื้อหาฮาร์มอนิกที่พบในกระแสสาย VSI สามารถใช้เป็นตัวกรองพลังงานที่ใช้งานอยู่เพื่อให้การชดเชยนี้ ระบบควบคุมกำหนดสัญญาณกระแสอ้างอิงสำหรับแต่ละเฟสโดยอิงตามกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ สิ่งนี้ถูกป้อนกลับผ่านลูปด้านนอกและลบออกจากสัญญาณปัจจุบันจริงเพื่อสร้างสัญญาณกระแสสำหรับลูปภายในไปยังอินเวอร์เตอร์ สัญญาณเหล่านี้ทำให้อินเวอร์เตอร์สร้างกระแสเอาต์พุตที่ชดเชยเนื้อหาฮาร์มอนิก การกำหนดค่านี้ไม่ต้องการการใช้พลังงานจริง เนื่องจากมีการจ่ายพลังงานเต็มจำนวนโดยสาย ลิงค์ DC เป็นเพียงตัวเก็บประจุที่ระบบควบคุมแรงดันคงที่ [15]ในการกำหนดค่านี้ กระแสไฟขาออกจะอยู่ในเฟสที่มีแรงดันไฟในสายเพื่อสร้างตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่เป็นเอกภาพ ในทางกลับกัน การชดเชย VAR สามารถทำได้ในรูปแบบที่คล้ายคลึงกัน โดยที่กระแสไฟขาออกจะเป็นแรงดันตะกั่วในแนวดิ่งเพื่อปรับปรุงตัวประกอบกำลังโดยรวม [16]

ในสถานประกอบการที่ต้องการพลังงานตลอดเวลา เช่น โรงพยาบาลและสนามบิน ระบบ UPS จะถูกนำมาใช้ ในระบบสแตนด์บาย อินเวอร์เตอร์จะถูกนำเข้าสู่ออนไลน์เมื่อโครงข่ายที่จ่ายตามปกติถูกขัดจังหวะ พลังงานจะถูกดึงออกจากแบตเตอรี่ในสถานที่ทันที และแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานได้โดย VSI จนกว่าจะมีการกู้คืนพลังงานจากกริด หรือจนกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองจะถูกนำเข้าสู่ระบบออนไลน์ ในระบบ UPS แบบออนไลน์ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า-DC-link-inverter จะใช้เพื่อป้องกันโหลดจากสภาวะชั่วครู่และเนื้อหาฮาร์มอนิก แบตเตอรี่ที่ขนานกับ DC-link จะถูกชาร์จจนเต็มโดยเอาท์พุตในกรณีที่ไฟฟ้าขัดข้อง ในขณะที่เอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์จะถูกป้อนผ่านฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำไปยังโหลด ได้คุณภาพกำลังไฟฟ้าสูงและเป็นอิสระจากสิ่งรบกวน [15]

ตัวขับมอเตอร์กระแสสลับต่างๆ ได้รับการพัฒนาสำหรับความเร็ว แรงบิด และการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์กระแสสลับ ไดรฟ์เหล่านี้สามารถจัดประเภทเป็นประสิทธิภาพต่ำหรือประสิทธิภาพสูง โดยพิจารณาจากว่าจะควบคุมด้วยสเกลาร์หรือควบคุมเวกเตอร์ตามลำดับ ในไดรฟ์ที่ควบคุมด้วยสเกลาร์ กระแสสเตเตอร์พื้นฐาน หรือความถี่แรงดันไฟฟ้าและแอมพลิจูด เป็นปริมาณที่ควบคุมได้เพียงอย่างเดียว ดังนั้น ไดรฟ์เหล่านี้จึงถูกนำไปใช้ในการใช้งานที่ไม่จำเป็นต้องมีการควบคุมคุณภาพสูง เช่น พัดลมและคอมเพรสเซอร์ ในทางกลับกัน ไดรฟ์ที่ควบคุมด้วยเวกเตอร์ช่วยให้สามารถควบคุมค่ากระแสและแรงดันในทันทีได้อย่างต่อเนื่อง ประสิทธิภาพสูงนี้จำเป็นสำหรับการใช้งาน เช่น ลิฟต์และรถยนต์ไฟฟ้า [15]

อินเวอร์เตอร์ยังมีความสำคัญต่อการใช้พลังงานหมุนเวียนอีกด้วย ในด้านวัตถุประสงค์ของเซลล์แสงอาทิตย์ อินเวอร์เตอร์ซึ่งโดยปกติคือ PWM VSI ได้รับการป้อนโดยเอาต์พุตพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงของโมดูลหรืออาร์เรย์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ จากนั้นอินเวอร์เตอร์จะแปลงค่านี้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อเชื่อมต่อกับโหลดหรือโครงข่ายไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์อาจใช้ในระบบหมุนเวียนอื่นๆ เช่น กังหันลม ในการใช้งานเหล่านี้ ความเร็วของเทอร์ไบน์มักจะแตกต่างกันไป ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความถี่ของแรงดันไฟฟ้าและบางครั้งในขนาด ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นสามารถแก้ไขได้แล้วกลับด้านเพื่อทำให้ความถี่และขนาดคงที่ [15]

สมาร์ทกริด

มาร์ทกริด คือกริด ไฟฟ้าที่ทันสมัยซึ่งใช้เทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารเพื่อรวบรวมและดำเนินการกับข้อมูล เช่น ข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมของซัพพลายเออร์และผู้บริโภคในรูปแบบอัตโนมัติเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ เศรษฐกิจ และความยั่งยืนของการผลิต และจำหน่ายไฟฟ้า [30] [31]

พลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากกังหันลมและ กังหัน ไฟฟ้าพลังน้ำโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำอาจทำให้เกิดความแปรปรวนในความถี่ที่สร้างพลังงานได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกใช้ในระบบเหล่านี้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้างขึ้นให้เป็นกระแสตรงแรงดันสูง ( HVDC ) พลังงาน HVDC สามารถแปลงเป็นพลังงานสามเฟสได้ง่ายขึ้นซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับโครงข่ายไฟฟ้าที่มีอยู่ ผ่านอุปกรณ์เหล่านี้ พลังงานที่ส่งมาจากระบบเหล่านี้จะสะอาดกว่าและมีปัจจัยด้านพลังงานที่เกี่ยวข้องกันสูงกว่า แรงบิดสูงสุดของระบบพลังงานลมได้มาจากกระปุกเกียร์หรือเทคโนโลยีขับเคลื่อนโดยตรงที่สามารถลดขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (32)

พลังงานไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นผ่านเซลล์สุริยะโดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง พลังงานที่ผลิตมักจะถูกแปลงโดยอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์. อินเวอร์เตอร์แบ่งออกเป็นสามประเภท: ส่วนกลาง โมดูลรวม และสตริง ตัวแปลงส่วนกลางสามารถเชื่อมต่อแบบขนานหรือแบบอนุกรมที่ด้าน DC ของระบบ สำหรับ "ฟาร์ม" ของเซลล์แสงอาทิตย์จะใช้ตัวแปลงกลางตัวเดียวสำหรับทั้งระบบ คอนเวอร์เตอร์ที่รวมโมดูลเชื่อมต่อแบบอนุกรมที่ด้าน DC หรือ AC โดยปกติจะมีการใช้โมดูลหลายโมดูลภายในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ เนื่องจากระบบต้องการตัวแปลงเหล่านี้บนขั้วไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวแปลงสตริงใช้ในระบบที่ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่หันหน้าไปทางต่างๆ มันถูกใช้เพื่อแปลงพลังงานที่สร้างขึ้นในแต่ละสายหรือสายที่เซลล์สุริยะมีปฏิสัมพันธ์ (32)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสามารถนำมาใช้เพื่อช่วยให้ระบบสาธารณูปโภคปรับตัวให้เข้ากับการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์แบบ กระจายสำหรับที่อยู่อาศัย/เชิงพาณิชย์ เยอรมนีและบางส่วนของฮาวาย แคลิฟอร์เนีย และนิวเจอร์ซีย์ต้องการการศึกษาที่มีค่าใช้จ่ายสูงก่อนที่จะอนุมัติการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่ อุปกรณ์ที่ติดตั้งบนพื้นดินหรือเสาขนาดค่อนข้างเล็กสร้างศักยภาพสำหรับโครงสร้างพื้นฐานการควบคุมแบบกระจายเพื่อตรวจสอบและจัดการการไหลของพลังงาน ระบบเครื่องกลไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เช่นธนาคารตัวเก็บประจุหรือ ตัว ควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่สถานีย่อยอาจใช้เวลานาทีในการปรับแรงดันไฟฟ้าและอาจอยู่ห่างจากการติดตั้งโซลาร์เซลล์ที่เกิดปัญหา หากแรงดันไฟฟ้าในวงจรย่านใกล้เคียงสูงเกินไป อาจเป็นอันตรายต่อทีมงานสาธารณูปโภค และทำให้เกิดความเสียหายต่อทั้งอุปกรณ์สาธารณูปโภคและอุปกรณ์ของลูกค้า นอกจากนี้ ความผิดพลาดของกริดยังทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ต้องปิดตัวลงทันที ส่งผลให้ความต้องการไฟฟ้าจากกริดพุ่งสูงขึ้น ตัวควบคุมแบบสมาร์ทกริดนั้นสามารถควบคุมได้ดีกว่าอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคจำนวนมาก [33]

ในอีกแนวทางหนึ่ง กลุ่มสาธารณูปโภคตะวันตก 16 แห่งที่เรียกว่า Western Electric Industry Leaders เรียกร้องให้มีการใช้ "อินเวอร์เตอร์อัจฉริยะ" ที่บังคับใช้ อุปกรณ์เหล่านี้แปลง DC เป็นไฟฟ้ากระแสสลับในครัวเรือน และยังช่วยเรื่องคุณภาพไฟฟ้าได้อีกด้วย อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถขจัดความจำเป็นในการอัพเกรดอุปกรณ์สาธารณูปโภคที่มีราคาแพงด้วยต้นทุนรวมที่ต่ำกว่ามาก [33]

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ^ ทอมป์สัน มอนแทนา"หมายเหตุ 01" (PDF ) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับพาวเวอร์อิเล็กทรอนิคส์ . ทอมป์สัน คอนซัลติ้ง อิงค์
  2. ^ "1926 – Field Effect Semiconductor Device Concepts Patented" . พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 22 มีนาคม 2016 . สืบค้นเมื่อ25 มีนาคม 2559 .
  3. ^ คารักปูร์. "อุปกรณ์กึ่งตัวนำกำลัง" (PDF) . อี ไอ ไอที . เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 20 กันยายน 2551 . สืบค้นเมื่อ25 มีนาคม 2555 .
  4. ^ "ดร. อาร์. เดวิด มิดเดิลบรู๊ค 2472 - 2553" . เพาเวอร์อิเล็คทรอนิคส์ . 1 พฤษภาคม 2553 . สืบค้นเมื่อ29 ตุลาคม 2019 .
  5. ^ "ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับการขนส่งกระแสไฟฟ้า - IEEE Power Electronics Society "
  6. ^ "คิดใหม่ความหนาแน่นของพลังงานกับ GaN" . การออกแบบ ทางอิเล็กทรอนิกส์ 21 เมษายน 2560 . สืบค้นเมื่อ23 กรกฎาคม 2019 .
  7. ^ อ็อกซ์เนอร์ อีเอส (1988). เฟท เทคโนโลยี และ แอพพลิเคชั่ซีอาร์ซี เพรส . หน้า 18. ISBN 9780824780500.
  8. ^ "ความก้าวหน้าใน Discrete Semiconductors มีนาคมบน" . เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ข้อมูล : 52–6 . กันยายน 2548 เก็บถาวร(PDF)จากต้นฉบับเมื่อ 22 มีนาคม 2549 . สืบค้นเมื่อ31 กรกฎาคม 2019 .
  9. ^ ดันแคน, เบ็น (1996). แอมพลิฟายเออร์ พลังเสียงประสิทธิภาพสูง เอลส์เวียร์ . น.  177-8, 406 . ISBN 9780080508047.
  10. ↑ Jacques Arnould, Pierre Merle Dispositifs de l'électronique de puissance , Éditions Hermès, ISBN 2-86601-306-9 (ภาษาฝรั่งเศส) 
  11. ^ a b "Power MOSFET Basics" (PDF) . อัลฟ่าและโอเมก้าเซ มิคอนดักเตอร์ สืบค้นเมื่อ29 กรกฎาคม 2019 .
  12. อรรถเป็น ดันแคน เบ็น (1996). แอมพลิฟายเออร์ พลังเสียงประสิทธิภาพสูง เอลส์เวียร์ . น.  178-81 . ISBN 9780080508047.
  13. ^ ไวท์ลีย์ แครอล; แมคลาฟลิน, จอห์น โรเบิร์ต (2002). เทคโนโลยี ผู้ประกอบการ และซิลิคอนแวลลีย์ สถาบันประวัติศาสตร์เทคโนโลยี. ISBN 9780964921719. ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานอยู่เหล่านี้ หรือผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังจาก Siliconix ใช้เพื่อสลับและแปลงพลังงานในระบบที่หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์ข้อมูลแบบพกพาไปจนถึงโครงสร้างพื้นฐานด้านการสื่อสารที่เปิดใช้งานอินเทอร์เน็ต MOSFET พลังงานของบริษัท — สวิตช์โซลิดสเตตขนาดเล็กหรือทรานซิสเตอร์ภาคสนามของเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ — และวงจรรวมกำลังใช้กันอย่างแพร่หลายในโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กเพื่อจัดการพลังงานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ
  14. Muhammad H. Rashid, Power Electronics Handbook Devices, Circuits, and Applications – Third Edition. โครงสร้างที่แนะนำในงานนี้คืออินเวอร์เตอร์หลายระดับซึ่งใช้แหล่ง DC แยกกัน อินเวอร์เตอร์หลายระดับที่ใช้อินเวอร์เตอร์แบบเรียงซ้อนกับ SDCS จะสังเคราะห์แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการจากแหล่งแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงอิสระหลายแห่ง ซึ่งอาจได้มาจากแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง หรือเซลล์แสงอาทิตย์ การกำหนดค่านี้เพิ่งได้รับความนิยมอย่างมากในแหล่งจ่ายไฟ AC และแอพพลิเคชั่นไดรฟ์ความเร็วที่ปรับได้ อินเวอร์เตอร์ใหม่นี้สามารถหลีกเลี่ยงไดโอดหนีบพิเศษหรือตัวเก็บประจุสมดุลแรงดันไฟ Butterworth-Heinemann, 2007 ISBN 978-0-12-382036-5 
  15. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae Rashid, MH (2001) คู่มืออิเล็กทรอนิกส์กำลัง สื่อวิชาการ. หน้า 225–250.
  16. a b c d e f g h i Trzynadlowski, AM (2010). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังสมัยใหม่ ไวลีย์. น. 269–341.
  17. ^ Kiruthiga, Murugeshan R. & Sivaprasath (2017). ฟิสิกส์สมัยใหม่ รุ่นที่ 18 สำนักพิมพ์เอส. จันทน์. ISBN 978-93-5253-310-7.
  18. ↑ a b c d e f Rahsid , MH (2010). คู่มืออิเล็กทรอนิกส์กำลัง: อุปกรณ์ วงจร และแอปพลิเคชัน เอลส์เวียร์. น. 147–564. ISBN 978-0-12-382036-5.
  19. ↑ Skvarenina , TL (2002). คู่มืออิเล็กทรอนิกส์กำลัง ชุดอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม ซีอาร์ซี เพรส. หน้า 94–140. ISBN 978-0-8493-7336-7.
  20. อรรถa b c d Rashid, MH (2005). อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าและการใช้งาน อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า สื่อวิชาการ. ISBN 978-0-12-088757-6.
  21. ^ โทลเบิร์ ตLM "Cycloconverters" มหาวิทยาลัยเทนเนสซี. สืบค้นเมื่อ23 มีนาคม 2555 .
  22. ^ Klumpner, C. "พาวเวอร์อิเล็กทรอนิคส์ 2" . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 27 กันยายน 2557 . สืบค้นเมื่อ23 มีนาคม 2555 .
  23. อรรถเป็น โวโดโวซอฟ, วี (2006). วิศวกรรมอิเล็คทรอนิคส์ . ISBN 978-9985-69-039-0.
  24. ^ ลิโป; คิม, ซอล (2000). "การแปลงไฟ AC/AC ตามโทโพโลยีตัวแปลง Matric พร้อมสวิตช์แบบทิศทางเดียว" ธุรกรรมของ IEEE ในการใช้งานในอุตสาหกรรม 36 (1): 139–145. ดอย : 10.1109/28.821808 .
  25. ^ วีลเลอร์; Wijekoon, Klumpner (กรกฎาคม 2551) "การใช้ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ AC/AC แบบไฮบริดที่มีอัตราส่วนการถ่ายโอนแรงดันไฟเป็นเอกภาพ" (PDF ) ธุรกรรม IEEE บน Power Electronics 23 (4): 2461-2529 ดอย : 10.1109/tpel.2008.924601 . S2CID 25517304 .  
  26. ^ Khader, S. "การประยุกต์ใช้ PSIM & Matlab/ Simulink ในหลักสูตร Power Electronics" (PDF ) เก็บ ถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 24 มีนาคม 2555 สืบค้นเมื่อ25 มีนาคม 2555 .
  27. Bose, Bimal K. (กันยายน–ตุลาคม 1993) "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการควบคุมการเคลื่อนไหว – สถานะเทคโนโลยีและแนวโน้มล่าสุด" {{cite journal}}:อ้างอิงวารสารต้องการ|journal=( ความช่วยเหลือ )
  28. Bose, Bimal K. (กุมภาพันธ์ 2552). "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและมอเตอร์ขับเคลื่อนความก้าวหน้าและมุมมองล่าสุด" {{cite journal}}:อ้างอิงวารสารต้องการ|journal=( ความช่วยเหลือ )
  29. ^ ยาโนะ มาซาโอะ; ชิเงริ อาเบะ; เออิจิ โอโนะ (2004). "ประวัติศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับมอเตอร์ไดรฟ์ในญี่ปุ่น". {{cite journal}}:อ้างอิงวารสารต้องการ|journal=( ความช่วยเหลือ )
  30. ^ ดีเจแฮมเมอร์สตรอม; และคณะ "โครงการสาธิตการทดสอบ Pacific Northwest GridWise™ ส่วนที่ 1 โครงการคาบสมุทรโอลิมปิก" (PDF ) สืบค้นเมื่อ2014-01-15 .
  31. ^ กระทรวงพลังงานสหรัฐ "สมาร์ทกริด / กรมพลังงาน" . ดึงข้อมูลเมื่อ2012-06-18 .
  32. อรรถเป็น การ์รัสโก, ฮวน มานูเอล; ลีโอปอลโด การ์เซีย ฟรังเคโล; แจน ที. Bialasiewecz; เอดูอาร์โด กัลวาน; Ramon C. Portillo Guisado; ม. แอนเจลิส มาร์ติน แพรทส์; โฆเซ่ อิกนาซิโอ เลออน; นาร์ซิโซ โมเรโน-อัลฟองโซ (สิงหาคม 2549) "ระบบไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการรวมระบบกริดของแหล่งพลังงานหมุนเวียน: การสำรวจ" 53 (4): 1002. CiteSeerX 10.1.1.116.5024 . ดอย : 10.1109/tie.2006.878356 . S2CID 12083425 .   {{cite journal}}:อ้างอิงวารสารต้องการ|journal=( ความช่วยเหลือ )
  33. ↑ ข ลาโมนิกา, มาร์ติน ( 2014-01-21 ) "Power Electronics สามารถช่วยให้กริดและพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากันได้ | MIT Technology Review" . Technologyreview.com . สืบค้นเมื่อ2014-01-22 .

อ้างอิง

  • Issa Batarseh "วงจรไฟฟ้ากำลัง" โดย John Wiley, 2003
  • SK Mazumder "อินเวอร์เตอร์ความถี่สูง: จากระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ลม และเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้พลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก DER/DG ไปจนถึงแอปพลิเคชันการจัดเก็บพลังงานที่ใช้แบตเตอรี่", บทหนังสือในคู่มือ Power Electronics, บรรณาธิการ MH Rashid, วิชาการ สำนักพิมพ์, เบอร์ลิงตัน, แมสซาชูเซตส์, 2010
  • V. Gureich "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องสำหรับวิศวกรรมอุตสาหการและพลังงาน", CRC Press, New York, 2008, 418 p.
  • บรรณาธิการ: Semikron ผู้แต่ง: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual IGBT- และ MOSFET-power modules , 1. edition, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24- 5 เวอร์ชั่นออนไลน์ 
  • RW Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, ครั้งที่ 2 , สปริงเกอร์, 2001, ISBN 0-7923-7270-0 [1] 
  • อาเรนท์ วินทริช; อุลริช นิโคไล; แวร์เนอร์ เติร์สกี้; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (เวอร์ชัน PDF) (ในภาษาเยอรมัน) (2. ed.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
  • อาเรนท์ วินทริช; อุลริช นิโคไล; แวร์เนอร์ เติร์สกี้; Tobias Reimann (2011), คู่มือการใช้งาน 2011 (PDF) (ภาษาเยอรมัน) (2. ed.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, เก็บถาวรจากต้นฉบับ (PDF-Version)เมื่อ 2013-09-03

ลิงค์ภายนอก