Warum / wann ist die AC-DC-AC-Umwandlung der direkten AC-AC-Umwandlung überlegen?

Ich studiere derzeit Windkraft und die dafür verwendete Leistungselektronik. In der Windkraft wird ein Generator vom Wind angetrieben, daher ist die resultierende Leistung von stark variierender Frequenz und Amplitude. Das Stromnetz hat wiederum strenge Anforderungen an die Eingangsleistung in Bezug auf Frequenz, Phasenverschiebung und Sinusform. Aus diesem Grund werden Stromrichter heute routinemäßig in der Windkraft eingesetzt.

Der vorherrschende Weg, um den Strom ins Netz zu bringen, ist die Verwendung eines AC-DC-Wandlers, gefolgt von einem DC-DC-Wandler und einem DC-AC-Wandler. Dies scheint ziemlich kompliziert zu sein, anstatt einen einzigen direkten Wechselstrom-Wechselstrom-Wandler zu verwenden. Warum ist die indirekte Umwandlung über die DC-Zwischenroute vorzuziehen?

(Dies ist eigentlich ein Repost von Engineering , da ich erst später herausfand, dass es eine aktivere, thematisch passende Nicht-Beta-Elektrotechnik gibt.)

Es gibt einen Konvertertyp, der dies kann: den Matrixkonverter.

Theoretisch kann es viele Phasen aufnehmen und viele Phasen in einem ziemlich weiten Frequenzbereich erzeugen. Es hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass (theoretisch) keine Leistungspassiven oder kein großer Kondensator, keine großen Induktivitäten benötigt werden.

Bei Matrixkonvertern gibt es jedoch zwei goldene Regeln

1. Du sollst die Versorgung nicht kurzschließen
2. Du sollst die Last nicht unterbrechen

Es ist Punkt 2, der die Topologie unpraktisch macht, da ein einfacher Stromausfall dazu führt, dass der Wechselrichter explodiert.

Es gibt eine Variante des Matrixkonverters, den so genannten Zyklokonverter, der Thyristoren verwendet und nicht die gleichen Probleme wie ein Vollmatrixkonverter aufweist. Es hat jedoch die Einschränkung, nur eine Ausgangsfrequenz um 1/10 der Eingangsfrequenz synthetisieren zu können. Diese Einschränkung ist in Ordnung für Schiffe, die normalerweise 400-Hz-Stromversorgungen verwenden, sodass die Erzeugung von 40 Hz für den Antrieb nicht zu einschränkend ist

Warum also AC-DC-AC statt direktem AC-AC ... Die Komplikationen und Einschränkungen. Ein Wechselrichter mit sechs Schaltern ist äußerst vielseitig.

Wenn zwei Routen möglich sind, gibt es selten eine gute Antwort darauf, warum eine bestimmte ausgewählt wurde. Es sind oft Unfälle in der Geschichte oder Vorteile für den einen oder anderen, abhängig von der lokalen Industrie oder gemeinsamen Komponenten.

Es gibt eine vollelektronische Route direkt von 3-Phasen-Wechselstrom mit einer Frequenz zur anderen, die als Matrixkonverter bezeichnet wird. Es enthält 9 Schalter in einer 3x3-Matrix, um jede Phase mit einer anderen zu verbinden. Mit einem geeigneten Timing der Schaltzeitpunkte und geeigneten Eingangs- und Ausgangsfiltern kann eine ähnliche Ausgangsspannung wie am Eingang erzeugt werden. Sie werden zunehmend für Motorantriebe eingesetzt.

Ich kann mir jedoch viele Vorteile für die Verwendung eines Zwischenkreises vorstellen.

AC-DC- und DC-AC-Wandler werden in großer Anzahl und in großen Größen für Zwischenkreise hergestellt, bei denen die Fernübertragung eine Rolle spielt. Dies wird zu Skaleneffekten führen. Sie sind ausgereifter als Matrixkonverter, weshalb mit der langen Planung der elektrischen Infrastruktur eher die Wahl getroffen wurde. Windkraftanlagen werden in der Regel in kurzen Sprüngen mit Hubs verbunden, bevor sie an eine einzelne Fernübertragungsleitung angeschlossen werden (im Fall von Offshore sehr lang). Es ist einfacher, die Leistung bei einer nominalen DC-Zwischenspannung zusammenzufassen, was die Steuerung vereinfacht. Es ist einfacher, für die lange Übertragung DC zu bleiben.

Der Grund für die direkte AC-AC-Umwandlung ist die Größe und Masse der DC-Drosselspule (oder des Kondensatorarrays). Das wollen Sie nicht haben, zB in einem U-Bahn-Wagen oder Flugzeug mit Gummirädern. In Eisenrädern kommt es darauf an, denn mehr Masse bedeutet bessere Reibung.

Das gilt nicht für Gebäude.

Sie können keine Ventile (Transistoren oder Thyristoren) sparen. Im Gegensatz dazu haben AC-AC-Wandler tendenziell mehr Ventile (wenn auch kleinere) als AC-DC-AC-Wandler. Das Steuerungskonzept ist auch viel komplizierter.

Die AC-DC-AC-Umwandlung gewinnt, wenn Sie mehrere verschiedene AC-Quellen zu einem einzigen AC-Ausgang kombinieren können (oder wenn Sie das Gegenteil haben).

Jeder asynchrone Generator erzeugt eine Wechselstromversorgung, die gleichgerichtet und auf eine Zwischenkreisspannung angehoben wird. Die Busspannung speist dann einen netzgebundenen Wechselrichter.

Ein Vorteil der AC-DC-AC-Wandlung besteht darin, dass Sie die Frequenz der AC konvertieren können. Es gibt auch eine militärische 400-Hz-Leistung, die zu einer erheblichen Größenreduzierung führen kann. In meinem speziellen Fall brauchte ich Zugang zu Motoren, die in einer Vakuumkammer arbeiteten. Es standen Geräte für die NASA und den militärischen Einsatz zur Verfügung, die unseren Anforderungen entsprachen. Daher entschieden wir uns für die Verwendung von 400-Hz-Strom. Ich erkenne, dass es ziemlich spezialisiert ist, so dass es wahrscheinlich nicht auf Sie anwendbar ist.