อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
High Voltage DC (HVDC) thyristor valve tower 16.8 m tall in a hall at Baltic Cable AB in Sweden

อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (อังกฤษ: Power Electronics) เป็นการนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปใช้ในการควบคุมพลังงานไฟฟ้า นอกจากนี้ยังหมายถึงเรื่องของการวิจัยในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ, การควบคุม, การคำนวณ, และการบูรณาการของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการประมวลพลังงานตามเวลาที่เปลี่ยนไม่เชิงเส้น ที่เป็นพลวัตของความเร็ว

บทนำ[แก้]

เครื่องชาร์จแบตเตอรีคือรูปแบบหนึ่งการนำของอิเล็กทรอนิกส์กำลังไปใช้

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงตัวแรกคือวาล์วปรอทอาร์ก(อังกฤษ: mercury-arc valve ). ในระบบสมัยใหม่ ​​การแปลงระบบไฟฟ้าจะดำเนินการด้วยอุปกรณ์สวิทช์เซมิคอนดักเตอร์เช่นไดโอด, ทายริสเตอร์(thyristors), และทรานซิสเตอร์ซึ่งถูกบุกเบิกโดย RD Middlebrook และอื่น ๆ เริ่มต้นหลังปี 1950. ทำงานตรงกันข้ามกับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวกับการส่งและการประมวลผลของสัญญาณและข้อมูล, อิเล็กทรอนิกส์กำลังทำงานกับพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากเช่น AC to DC converter (วงจรเรียงกระแส หรือ rectifier​​ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่พบมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหลายชนิดเช่น โทรทัศน์, เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล, เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ ฯลฯ ซึ่งกำลังไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีตั้งแต่หลายสิบวัตต์จนถึงหลายร้อยวัตต์ การประยุกต์ใช้ทั่วไปในอุตสาหกรรมคือ Variable Speed Drive (VSD) หรือไดรฟ์ความเร็วแปรได้ โดยการใช้ในการควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำ กำลังไฟฟ้าของ VSDs เริ่มต้นจากไม่กี่ร้อยวัตต์จนถึงหลายสิบเมกะวัตต์

แหล่งจ่ายไฟในคอมพิวเตอร์ทั่วไปก็ตัวอย่างของอิเล็กทรอนิกส์กำลังในเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านทั่วไป

ระบบการแปลงพลังงานสามารถจำแนกตามชนิดของอินพุทและเอาต์พุตของกำลังได้แก่

  • AC to DC ( rectifier)
  • DC to AC (inverter)
  • (DC-DC converter)
  • (AC-AC converter)

ประวัติ[แก้]

อิเล็กทรอนิกส์กำลังเริ่มต้นด้วยการพัฒนาของตัวเรียงกระแสปรอทอาร์ก (Mercury Arc Valve Rectifier) ที่ถูกประดิษฐ์คิดค้นโดยปีเตอร์ คูเปอร์ เฮวิตต์ในปี ค.ศ.1902 ปรอทอาร์ก rectifier ถูกใช้ในการแปลงไฟฟ้​​ากระแสสลับ (AC) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แรงดันสูง. หลังปี 1920 มีการวิจัยต่อเนื่องโดยการใช้ thyratrons และปรอทวาล์วอาร์กแบบกริดควบคุมในการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้​​า (power transmission) จากนั้น Uno Lamm ได้พัฒนาวาล์วทำด้วยขั้วไฟฟ้าเป็นชั้นๆมาแทนที่วาล์วปรอทในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง. ในปี ค.ศ.1933 วงจรเรียงกระแสด้วยซีลีเนียมก็ถูกประดิษฐ์ขึ้น[1]

ในปี ค.ศ.1947 ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบ point contact ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยวอลเตอร์ เอช Brattain และจอห์น Bardeen ภายใต้การดูแลของวิลเลียม Shockley ที่ห้องปฏิบัติการโทรศัพท์เบลล์. ในปี ค.ศ.1948 การประดิษฐ์ของทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบ junction (BJT) โดย Shockley ได้ปรับปรุงเสถียรภาพและประสิทธิภาพการทำงานของทรานซิสเตอร์และช่วยลดต้นทุนในการผลิต หลังปี 1950, พาวเวอร์ไดโอดสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าเริ่มถูกนำมาใช้แทนที่หลอดสูญญากาศ จากนั้นในปี ค.ศ.1956 ตัวเรียงกระแสควบคุมชนิดซิลิคอน หรือ Silicon-Controlled Rectifier (SCR) ถูกนำมาใช้โดย บริษัท General Electric ซึ่งทำให้มีการประยุกต์ใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก[2]

ในทศวรรษที่ 1960 ความเร็วในการสวิทช์ของ BJTs ถูกใช้สำหรับการแปลง AC ความถี่สูงให้เป็น DC. ในปี ค.ศ.1976 power MOSFET ออกสู่ตลาด และในปี ค.ศ.1982 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ถูกแนะนำในตลาด

อุปกรณ์[แก้]

อุปกรณ์พาวเวอร์อิเล็กทรอนิกส์อาจถูกใช้เป็นสวิทช์หรือเป็นแอมพริฟายเออร์[3] สวิทช์ในอุดมคติคือทำงานเปิดหรือปิดวงจรและไม่กระจายความร้อน. มันทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และส่งผ่านกระแสทั้งหมดโดยไม่มีแรงดันตกคร่อม. นั่นคือต้องไม่มีการสูญเสียพลังงานในสวิทช์เลย ในทางตรงกันข้าม ในกรณีของแอมพลิฟายเออร์ กระแสที่ไหลผ่านต้วมันแปรผันอย่างต่อเนื่องตามอินพุทมี่ควบคุมมันอยู่ แรงดันและกระแสที่ขั้วอุปกรณ์เป็นไปตามโหลดและพลังงานที่กระจายในตัวอุปกรณ์มีมากกว่าพลังงานที่ส่งไปยังโหลด

คุณลักษณะหลายประการเป็นตัวกำหนดวิธีการนำอุปกรณ์ที่ใช้ อุปกรณ์ เช่นไดโอดจะทำงานเมื่อมีแรงดันระหว่างขั้วทั้งสอง และไม่สามารถควบคุมจุดเริ่มต้นของการไหลของกระแสได้ อุปกรณ์ไฟฟ้าเช่น SCR และ thyristors (เช่นเดียวกับวาล์วปรอทและอดีต thyratron) สามารถควบคุมจุดเริ่มต้นของการไหลของกระแสได้ แต่ขึ้นอยู่กับการกลับขั้วของขาควบคุมเพื่อหยุดการทำงาน อุปกรณ์อื่น เช่นประตูปิด thyristors , bipolar ทรานซิสเตอร์, (BJT) และ MOSFET ควบคุมการเปิดปิดได้ดีกว่าโดยไม่คำนึงถึงทิศทางกระแสควบคุม อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ยังช่วยในการขยายสัญญาณ แต่ไม่ค่อยถูกนำมาใช้กับระบบที่ใชัพลังงานไม่กี่ร้อยวัตต์ ลักษณะการควบคุมของอินพุทของอุปกรณ์ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบ, บางครั้งอินพุทควบคุมมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเมื่อเทียบกับดินและต้องหามาจากแหล่งต่างหาก

เนื่องจากประสิทธิภาพเป็นที่ต้องการอย่างสูงในการแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง, การสูญเสียที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องทำให้ต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

อุปกรณ์ทั้งหลายมีความแตกต่างกันที่ความเร็วในการเปิดปิด บางไดโอดและบาง thyristors จะเหมาะสำหรับความเร็วค่อนข้างช้าและมีประโยชน์สำหรับการสวิทช์และการควบคุมความถี่, thyristors บางตัวเป็นประโยชน์ที่ไม่กี่กิโลเฮิรตซ์ อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น MOSFETS และ BJTs สามารถสวิทช์ที่หมื่นกิโลเฮิร์ตซ์จนถึงไม่กี่เมกะเฮิรตซ์ แต่ระดับพลังงานลดน้อยลง พลังงานที่สูงมาก (ร้อยๆกิโลวัตต์) ที่ความถี่สูงมากๆ (ร้อยหรือหลายพันเมกะเฮิรตซ์) ยังคงเป็นพื้นที่ที่อุปกรณ์หลอดสูญญากาศครอบครองอยู่ การใช้อุปกรณ์สวิทชิ่งที่เร็วขึ้นช่วยลดการสูญเสียพลังงานในการปิดเปิดกลับไปกลับมา แต่อาจสร้างปัญหากับการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา วงจรไดรฟ์ประตู (หรือเทียบเท่า) ต้องถูกออกแบบให้จ่ายกระแสไดรฟ์ที่พอเพียงเพื่อให้อุปกรณ์ทำหน้าที่สวิทช์ได้อย่างเต็มที่ อุปกรณ์ที่ไม่ได้รับการไดรฟ์เพียงพอที่จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วอาจจะถูกทำลายด้วยความร้อนส่วนเกิน

อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมและกระจายพลังงาน(รวมทั้งความร้อน)เมื่อเปิดและใช้เวลาในการทำงานจนกว่าจะถึงสถานะ "ปิด" ความสูญเสียเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญการสูญเสียของ converter

การจัดการพลังงานและการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ยังเป็นปัจจัยที่สำคัญในการออกแบบ. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พาวเวอร์อาจจะต้องกระจายความร้อนทิ้งไปหลายสิบหรือหลายร้อยวัตต์. แม้การสวิทช์จะมีประสิทธิภาพเท่าที่เป็นไปได้ระหว่างสภาวะการนำกระแสและไม่นำกระแส. ในโหมดสวิทชิ่ง พลังงานที่เอ้าท์พุทมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานความร้อนที่กระจายไปในสวิทช์. เซมิคอนดักเตอร์พลังงานสูงจำเป็นต้องมี heat sink หรือระบบระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิของ junction ไม่ให้สูงเกินไป เซมิคอนดักเตอร์ที่แปลกใหม่เช่นซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนธรรมดาในแง่นี้และเหนือเจอร์เมเนียม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ solid-state ในปัจจุบันอาจถูกใช้น้อยลงเนื่องจากคุณสมบัติที่ไม่เอื้ออำนวยที่อุณหภูมิสูง

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ทำงานที่ไม่กี่กิโลโวลต์ในตัวเดี่ยวๆ. ในกรณีที่จะต้องทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงๆ ต้องใช้อุปกรณ์หลายๆตัวต่อกันแบบอนุกรม อีกครั้งที่ความเร็วในการสวิทช์เป็นปัจจัยสำคัญเนื่องจากอุปกรณ์ตัวที่สวิทช์ช้าที่สุด จะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้ารวม. วาล์วปรอทในอดีตทำงานได้ถึง 100 กิโลโวลต์ในเครื่องเดียว, ทำให้เป็นการง่ายในการนำไปประยุกต์ใช้ในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง หรือ HVDC

อัตรากระแสที่ใช้งานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะถูกจำกัดโดยความร้อนที่เกิดภายใน dies และความร้อนที่เกิดขึ้นในความต้านทานของจุดเชื่อมต่อของสายไฟ(ลีด) อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้กระแสมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันข้ามรอยต่อภายในของตน (หรือช่อง); เมื่อ "hot spot"เกิดขึ้น breakdown effect สามารถทำลายอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว. SCRs บางตัวในปัจจุบันมีอัตรากระแสถึง 3000 แอมแปร์ในเครื่องเดียว

อุปกรณ์ solid state[แก้]

อุปกรณ์ รายละเอียด Ratings
ไดโอด ขั้วเดียว, ไม่สามารถควบคุมได้, ใช้เป็นอุปกรณ์สวิทชิ่งที่ใช้ในงานเช่นวงจรเรียงกระแสและวงจรควบคุมทิศทางการไหลของกระแส, การป้องกันแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับโดยการต่ออนุกรมกับโวลเตจซอสทำตัวเป็นสวิทช์ มีโวลเตจตกคร่อมประมาณ 0.7 VDC (ขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่ทำไดโอด) ทำงานได้ถึง 3000 amperes และ 5000 volts ในตัวเดียว ถ้าสูงกว่านี้ ต้องนำไดโอดหลายตัวมาต่ออนุกรมกัน
ตัวเรียงกระแสควบคุมชนิดซิลิคอน (SCR) เป็นอุปกรณ์กึ่งควบคุมจะ "เปิด" ให้กระแสไหลเมื่อมีพั้ลส์มาเปิดประตูและขั้วแอโหนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วแคโทด กระแสจะไหลได้ทางเดียวเหมือนกับไดโอด และจะไม่หยุดไหลจนกว่าจะลดหรือตัดความดันที่ขั้วแอโหนดออก อุปกรณ์จึงจะ "ปิด" ความดันที่ประตูไม่สามารถ"ปิด"อุปกรณ์ได้[4] ทำงานได้ถึง 3000 แอมแปร์, 5000 โวลต์ในอุปกรณ์ซิลิคอนเดียว
ทายริสเตอร์ เป็นอุปกรณ์สามขั้วในเครือเดียวกับ SCRs, GTOs และ MCTs ส่วนใหญ่จะยอมให้กระแสไหลผ่านเมื่อมีพั้ลส์ที่มีค่าๆหนึ่งมาเปิดประตูและจะปิดประตูเมื่อแรงดันที่แอโหนดลดลงถึงจุดหนึ่ง ซึ่งค่าดังกล่าวถูกกำหนดโดยบริษัทผู้ผลิต เมื่อมัน"Off" มันจะทำตัวเป็นอุปกรณ์ที่ปิดกั้นการไหลของกระแสเนื่องจากมีความดันกลับด้าน[5]
ทายริสเตอร์ที่ปิดประตูได้ (GTO) ไม่เหมือน SCR, gate turn-off thyristor สามารถเปิดและปิดด้วยพั้ลส์ที่ประตู แต่พั้ลส์ที่มาปิดประตูจะมีขนาดและกระแสสูงกว่าพั้ลส์ที่มาเปิดประตูมาก แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ปิดประตูนี้คือแรงดันเชิงลบจากประตูไปยังซอส ซึ่งปกติแล้วจะปรากฏเพียงระยะสั้นๆ แต่มีขนาดประมาณ 1/3 ของกระแสที่แอโหนด วงจร snubber จึงจำเป็นต้องมีเพื่อสร้างสัญญาณสวิทชิ่งที่อุปกรณ์นี้ใช้งาน ถ้าไม่มีวงจร snubber, GTO จะไม่สามารถปิดการทำงานของอินดักทีฟโหลดได้ อุปกรณ์ในตระกูลเดียวกันเหล่านี้ไม่เป็นที่นิยมนำมาใช้ในงานนอิเล็กทรอนิกส์กำลังอีกแล้ว หลังจากที่มีการพัฒนาในด้านเทคโนโลยี IGCT. อุปกรณ์เหล่านี้ถูกพิจารณาว่าเป็นตัวบล็อกแรงดันไฟฟ้าแบบขั้วเดียวหรือสองขั้วที่ควบคุมได้[6]
ไตรแอค triac เป็นทายริสเตอร์แบบควบคุมด้วยเฟส ภายในชิปเดียวกันมี SCR สองตัวต่อกลับหัวกัน[7] พั้ลส์ที่มาเปิดประตูไม่ว่าจะเป็นบวกหรือลบก็จะเปิดประตู SCR ตัวใดตัวหนึ่งได้เสมอ กระแสจึงไหลได้ทั้งสองทาง ทำงานเหมือน SCR คือเมื่อมันเปิดแล้ว มันจะปิดไม่ได้ มันมีความสามารถในการป้องกันการ reverse bias ได้ด้วย
ทรานซิสเตอร์ Bipolar Junction Transister, BJT หรือทรานซิสเตอร์ทั่วไป ไม่สามารถใช้ที่พลังงานที่สูงๆได้ มันทำงานได้ช้ากว่าและมีความสูญเสียเนื่องจากความร้อนสูงกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ MOSFET. BJTs กับ MOSFETs เป็นแบบ unipolar ไม่สามารถปิดกั้นแรงดันย้อนกลับได้ดียกเว้นในกรณีที่ติดตั้งคู่กับไดโอดป้องกัน BJT มี gain ของกระแสต่ำในงานพลังงานสูงๆ, จึงต้อง config ให้เป็นแบบดาร์ลิงตัน เพื่อรับมือกับกระแสที่ใช้โดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การ config ให้ใช้ทรานซิสเตอร์หลายๆตัว ทำให้ได้ สวิทชิ่งไทม์ประมาณ 0.1 ถึง 1 microseconds อุปกรณ์มีเรตติ้งที่สูงสุดประมาณ 1500 V และเรตติ้งของกระแสค่อนข้างสูง มันสามารถนำมาต่อขนานกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการรองรับกำลังที่สูงขึ้น แต่จำกัดให้ประมาณ 5 ตัวอุปกรณ์สำหรับการแบ่งปันกระแส
Power MOSFET ประโยชน์หลักของ Power MOSFET คือกระแสที่เบสสำหรับ BJT สูงมากแต่เมื่อเทียบเกือบกระแสที่ประตูเป็นศูนย์สำหรับ MOSFET เนื่องจาก MOSFET เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าไม่ใช่กระแสในการเปิดปิดประตูให้กระแสไฟฟ้าไหลจากเดรนมาซอส gate ไม่ได้ช่วยอะไรกับกระแสที่ เดรนและซอส กระแสที่มาเปิด gate เป็นศูนย์ซึ่งทำให้ความร้อนที่เกิดจะมาจากการปิดและเปิด ความสูญเสียใน MOSFETs ส่วนใหญ่จะมาจากความต้านทานช่วงที่เปิด, เวลาที่ใช้ในการปิดเปิดมีตั้งแต่ 10 nanosec ไปจนถึง 100 microseconds ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์. ความต้านทานที่เดรนของ MOSFET จะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสที่ไหลผ่านอุปกรณ์สูงขึ้น ความถี่ที่สูงขึ้นก็เพิ่มความต้านทานนี้เช่นกัน นี่ทำให้ BJT น่าสนใจกว่า Power MOSFET สามารถนำมาต่อขนานกันเพื่อเพิ่มกระแสและกำลังงานโดยรวม อุปกรณ์ใหม่ๆอาจมีคุณสมบัติดีกว่านี้ MOSFET ไม่จ่ายกระแสสองทางและไม่สามารถทำ reverse blocking ได้[8] โวลเตจที่ทำงานได้จะน้อยกว่า 1000 V เล็กน้อยและกระแสที่ประมาณ 100 A
Insulated gate bipolar transistor (IGBT) เป็นอุปกรณ์ที่รวมลักษณะที่ดีที่สุดของ MOSFETs และ BJTs. เช่นเหมือน MOSFET ที่มีความต้านทานที่เกทสูงจึงต้องการกระแสต่ำ และเหมือน BJTs ที่แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมในช่วง"เปิด"ต่ำ ความสูญเสียพลังงานจึงต่ำ และทำงานคล้ายกับ GTO ที่สามารถป้องกันแรงดันไฟฟ้าได้ทั้งบวกและลบ IGBT มี input capacitance น้อยกว่า MOSFET ซึ่งจะปรับปรุง Miller feedback effect ระหว่างการปิดเปิดที่มี dv/dt สูง[9] กระแสที่ทำงานค่อนข้างสูงกว่า 1500 A และแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 3,000 โวลต์[10]
MOS-controlled thyristor (MCT) ทำงานเหมือนทายริสเตอร์ที่สามารถ trigger ให้เปิดหรือปิดด้วยพัลส์ที่เกท เนื่องจากอินพุทเป็นเทคโนโลยีแบบ MOS จึงมีกระแสไหลน้อยมากจึงใช้สัญญาณควบคุมการทำงานที่ต่ำมาก อุปกรณ์มี MOSFET input 2 ขา และ BJT output 2 ขา อินพุทถูกออกแบบมาให้ทำงานทั้งช่วงบวกและช่วงลบของสัญญาณ เอ้าท์พุทก็ปล่อยให้กระแสไหลได้ 2 ทิศทางเช่นกัน และทำ reverse blocking ได้ด้วย ปิดเปิดได้เร็ว รองรับแรงดันและกระแสสูง ประมาณ 100 A หรือมากกว่า
Integrated gate-commutated thyristor(IGCT) คล้ายกับ GTO แต่ไม่ต้องการกระแสสูงเพื่อเปิดหรือปิดเกท IGCT อุปกรณ์มีความต้านทานของอินพุตสูงมากเพราะใช้เกทไดรเวอร์ทำด้วย MOSFET. IGCT มีเอาต์พุตความต้านทานต่ำที่ไม่ต้องเสียพลังงานมากและรวดเร็วมากเหมือนอย่างคู่แข่งเช่น BJTs. บริษัท ABB มีการเผยแพร่เอกสารข้อมูลสำหรับอุปกรณ์ชนิดนี้และให้รายละเอียดของการทำงานภายใน อุปกรณ์ประกอบด้วยเกทที่สามารถเลือกให้แยกออกจากอินพุทได้, เอ้าท์พุทเป็น BJT ความต้านทานต่ำเพื่อให้มีความสูญเสียต่ำที่แรงดันและกระแสสูง สามารถรองรับการทำงานที่มากกว่า 5,000 VAC, 5,000 A ที่ความถี่สูงกว่าที่ GTO ทำได้[11]

DC to AC Converter(อินเวอร์เตอร์)[12][13][แก้]

ตัวที่แปลง DC เป็น AC เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Inverter ใช้ตัวขับที่เปลี่ยนความเร็วได้ (Adjustable Speed Drive, ASD), Uninterrupted Power Supply (UPS), active filter, Flexible AC transmission systems (FACTS), voltage compensators, และ photovoltaic generator. Topologies สำหรับ converter สามารถถูกแยกออกเป็นสองประเภทคือ: voltage source inverter และ current source inverter

DC/AC converter ทำงานด้วยอุปกรณ์ power switching แบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ควบคุมได้. รูปคลื่น AC ที่เอาต์พุตจึงมีค่าไม่เกาะติดกัน, ทำให้เกิดการแปลงที่รวดเร็วแทนที่จะเป็นการแปลงอย่างราบรื่น ความสามารถในการสร้างรูปคลื่นใกล้รูปซายน์ที่มีความถี่ใกล้ๆความถี่พื้นฐานถูกบังคับโดยใช้เทคนิคการมอดดูเลชั่นที่มีการควบคุมเมื่อ, และตลอดเวลาที่, เพาเวอร์วาล์วเปิดและปิด เทคนิคการมอดดูเลชั่นที่ใช้ได้แก่ carrier-based technique, หรือ pulse width modulation, space-vector technique, และ selective-harmonic technique.

Voltage source inverters มีการใช้จริงทั้งงานเฟสเดียวและสามเฟส VSIs เฟสเดียวใช้รูปแบบhalf-bridge and full-bridge และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับ power supply, UPS และ topologies พลังงานสูงจะถูกนำมาใช้ในรูปแบบ multicell. VSIs สามเฟสถูกใช้ในงานที่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้ารูปคลื่นซายน์เช่น ASDs, ยูพีเอสและบางชนิดของอุปกรณ์ FACTS เช่น STATCOM. และยังถูกใช้ในงานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีกฏเกณฑ์ในกรณีของ active filter และ voltage compensators.

Current source inverters ถูกนำมาใช้ในการผลิต AC จาก DC. อินเวอร์เตอร์แบบนี้ใช้ในทางปฏิบัติสำหรับงานไฟฟ้าสามเฟสที่ต้องการรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าคุณภาพสูง

Multilevel inverters เป็นอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSIs และ VSIs ถูกจัดว่าเป็นอินเวอร์เตอร์สองระดับเนื่องจากสวิทช์เพาเวอร์เชื่อมต่อกับ bus ไม่ขั้วบวกก็ขั้วลบของ DC Voltage. แต่ถ้าเอ้าท์พุทของอินเวอร์เตอร์มี AC Voltage หลายระดับ, AC Voltage จะเป็น sine wave ที่ดีขึ้น multilevel inverters แม้ว่าจะซับซ้อนและแพงกว่า แต่ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า

อินเวอร์เตอร์แต่ละประเภทแตกต่างกันในการเชื่อมโยง DC และแตกต่างกันที่มีความจำเป็นต้องใช้ freewheeling diodes หรือไม่, หรือต่าวกันที่ถูกสร้างมาให้ทำงานใน square-wave หรือ pulse-width modulation (PWM) mode อย่างใดอย่างหนึ่ง. โหมด Square-wave mode มีความเรียบง่ายในขณะที่ PWM สามารถดำเนินการได้หลายวิธีและสร้างรุปคลื่นคุณภาพสูงกว่า

VSI ป้อนอินเวอร์เตอร์อินพุทจากแหล่งแรงดันไฟฟ้าเกือบคงที่

คุณภาพที่ต้องการของรูปคลื่นของกระแสที่ output เป็นตัวกำหนดเทคนิคการ modulation. output ของ VSI ประกอบด้วยรูปคลื่นที่ไม่ติดกัน เพื่อให้ได้รูปคลื่นกระแสที่สวยงาม โหลดจะต้องถูกเหนี่ยวนำที่ความถี่ฮาร์โมนิคที่เลือก ถ้าไม่มีการกรองแบบเหนี่ยวนำระหว่าง source และโหลด, capacitive load จะทำให้โหลดได้รับรูปคลื่นกระแสที่ถูกสับเป็นช่วงๆและมี spikes ขนาดใหญ่และบ่อยๆ

VSIs มีสามประเภทหลักคือ:

  1. Single-phase half-bridge inverter
  2. Single-phase full-bridge inverter
  3. Three-phase voltage source inverter

Single-phase half-bridge inverter[แก้]

รูปที่ 1: รูปคลื่นที่ป้อนให้กับ ASD
รูปที่ 2: วงจร Single-Phase Half-Bridge Voltage Source Inverter

single-phase voltage source half-bridge inverters ใช้กับงานที่ใช้แรงดันต่ำ ปกติใช้ใน power supply รูปที่ 2 แสดงรูปแบบของวงจรนี้

ฮาร์โมนิคของกระแสในลำดับต่ำจะถูกป้อนกลับไปที่แหล่งผลิตโดยการทำงานของอินเวอร์เตอร์. ตามรูปตัวเก็บประจุใหญ่ๆสองตัวถูกนำมาใช้ทำหน้าที่เป็นตัวกรอง สวิทช์สองตัวที่อยู่ในรูปจะสลับการทำงานในแต่ละขาของอินเวอร์เตอร์ ตัวเก็บประจุจะผลัดกันต่อคร่อมโหลดเพื่อ bypass ฮาร์โมนิคส์ดังกล่าวตลอดเวลา

Single-phase full-bridge inverter[แก้]

รูปที่ 3: Single-Phase Voltage Source Full-Bridge Inverter
รูปที่ 4: Carrier and Modulating Signals for the Bipolar Pulsewidth Modulation Technique

อินเวอร์เตอร์แบบเต็มรูปมีความคล้ายคลึงกับอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งรูป แต่มีขาเพิ่มขึ้นใช้ในการเชื่อมต่อ neutral กับโหลด. รูปที่ 3 แสดงแผนผังวงจรอินเวอร์เตอร์เต็มรูป

เพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรของแหล่งแรงดัน, S1+ และ S1- จะต้องไม่ close พร้อมกัน และ S2+ และ S2- ก็จะต้องไม่ close พร้อมกันเช่นกัน สวิทช์ด้านบนหรือด้านล่างตัวใดตัวหนึ่งในแต่ละขาเท่านั้นที่ close ในเวลาใดเวลาหนึ่ง amplitude สูงสุดของสัญญาณ output จะเท่ากับ Vi และเป็นสองเท่า amplitude ของเอาต์พุตที่ทำได้สูงสุดของระบบครึ่งรูป

Three-phase voltage source inverter[แก้]

รูปที่ 5: Three-Phase Voltage Source Inverter Circuit Schematic
รูปที่ 6:Three-Phase Square-Wave Operation a) Switch State S1 b) Switch State S3 c) S1 Output d) S3 Output

VSIs เฟสเดียวใช้ในงานพลังงานต่ำ ในขณะที่ VSIs สามเฟสครอบคลุมการใช้งานทั้งขนาดพลังงานกลางและสูง รูปที่ 5 แสดงแผนผังวงจรสำหรับสามเฟส VSI

สวิทช์ในขาใด ๆ ของสามขาของอินเวอร์เตอร์ต้องไม่ถูก switch-off พร้อมกัน เพราะจะส่งผลให้แรงดันไปขึ้นกับขั้วของกระแส States 7 และ 8 สร้างแรงดัน AC ที่เส้นศูนย์ ซึ่งเป็นผลให้กระแสไหลอย่างอิสระผ่านอุปกรณ์ด้านบนหรือด้านล่างด้านใดด้านหนึ่ง อย่างไรก็ตาม แรงดัน state 1 ถึง 6 สร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ประกอบด้วยค่าที่ไม่ติดกันต่อกันเนื่องของ Vi, 0 หรือ -Vi.

สำหรับ Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) แบบสามเฟส สัญญาณที่ใช้มอดดูเลตจะมี 120 องศาเอ้าท์ออฟเฟสซึ่งกันและกัน จะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแรงดันแรงดันไฟฟ้าที่โหลด เพื่อที่จะรักษาคุณลักษณะ PWM ด้วยการใช้สัญญาณพาหะเดียว ความถี่กลาง mf, จะต้องมีผลคูณของสาม ซึ่งจะทำให้ขนาดของแรงดันไฟฟ้าทุกเฟสเหมือนกัน แต่เฟสต่างกัน 120 องศา. แอมพลิจูดสูงสุดของแรงดันเฟสที่ทำได้แบบเชิงเส้น, เมื่อ ma น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่ง, คือ vphase = vi / 2 แอมพลิจูดสูงสุดของแรงดันลายน์ที่ทำได้ Vab1 = vab •√ 3/2

วิธีเดียวที่จะควบคุมแรงดันไฟฟ้าโหลดคือโดยการเปลี่ยนสัญญาณแรงดันอินพุท DC

Current source inverters[แก้]

Current source invertersแปลงรูปคลื่นกระแสตรงเป็นรูปคลื่น AC ในงานที่ต้องใช้รูปคลื่นซายน์ AC ขนาดความถี่และเฟสจะต้องมีการควบคุม. CSI มีการเปลี่ยนแปลงของกระแสสูงไปตามเวลา ดังนั้นตัวเก็บประจุจึงถูกนำมาใช้งานด้าน AC, ในขณะที่ inductors ถูกนำมาใช้งานด้านดีซี. เนื่องจากไดโอดที่สามารถควบคุมการไหลของกระแสไม่ได้ถูกใช้งาน ขนาดและน้ำหนักจึงลดลง และมีแนวโน้มที่จะน่าเชื่อถือมากกว่า VSIs. แม้ว่ารูปแบบเฟสเดียวสามารถนำไปใช้งานได้ แต่ CSI สามเฟสถูกนำไปใช้จริงมากกว่า

รูปที่ 7: Three-Phase Current Source Inverter
รูปที่ 8: Synchronized-Pulse-Width-Modulation Waveforms for a Three-Phase Current Source Inverter a) Carrier and Modulating Signals b) S1 State c) S3 State d) Output Current

ในรูปแบบทั่วไปมากที่สุด สามเฟส CSI ใช้ลำดับการทำงานเหมือนกับวงจร rectifier แบบ 6 พั้ลส์. ณ เวลาใด ๆ มีเพียงหนึ่งสวิทช์แบบ common-cathode และหนึ่ง common-anode เท่านั้นที่ on

ผลที่ได้ก็คือ กระแสลายน์ใช้ค่าที่ไม่ติดกันของ -ii, 0 และ ii state จะถูกเลือกเพื่อที่จะได้รูปแบบของคลื่นที่ต้องการออกมาทางเอ้าท์พุท การคัดเลือกนี้มีพื้นฐานของเทคนิคการมอดดูเลต, ซึ่งรวมถึง carrier-based PWM, การกำจัดฮาร์โมนิคที่คัดเลือกไว้และเทคนิคปริภูมิเวกเตอร์.

Carrier-based techniques ที่ถูกใช้กับ VSIs ยังสามารถนำมาใช้กับ CSI ได้ ซึ่งจะมีผลทำให้ line current ใน CSI ทำงานในลักษณะเดียวกับ line voltage ใน VSI วงจรดิจิตอลที่ถูกใช้สำหรับสัญญาณมอดดูเลตประกอบด้วย switching pulse generator, shorting pulse generator, shorting pulse distributor, และ switching and shorting pulse combiner. สัญญาณที่ใช้เปิด gate ถูกสร้างขึ้นอยู่กับ carrier current และสามสัญญาณมอดดูเลต.

Multilevel inverters[แก้]

รูปที่ 10:Three-Level Neutral-Clamped Inverter โดยขาอินพุทมีแรงดันต่างระดับกัน

รูปแบบค่อนข้างใหม่ที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์หลายระดับได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSI และ VSI สามารถจัดเป็นอินเวอร์เตอร์สองระดับเพราะสวิทช์ไฟเชื่อมต่อกับ DC บัสบวกหรือบัสลบ. หากมีมากกว่าสองระดับแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตจะเป็นคลื่น AC รูปคลื่นไซน์ที่ดีกว่า. ด้วยเหตุนี้อินเวอร์เตอร์หลายระดับแม้ว่าที่ซับซ้อนมากขึ้นและแพงกว่าแต่ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า Three-Level Neutral-Clamped Inverter จะแสดงในรูปที่ 10

วิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์สามระดับก็เพียงแต่ช่วยให้สวิทช์สองในสี่ของสวิทช์ในแต่ละขาพร้อมกันเปลี่ยนสถานะการนำไฟฟ้า แบบนี้จะช่วยให้การแลกเปลี่ยนทำได้อย่างราบรื่นและหลีกเลี่ยงการยิงผ่านโดยเฉพาะการเลือก state ที่ถูกต้อง. สังเกตว่าเนื่องจากบัสแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้ร่วมกันอย่างน้อยสองวาล์ว ดังนั้นอัตราแรงดันไฟฟ้าจะน้อยกว่าแบบสองระดับ

การใช้งานอินเวอร์เตอร์[แก้]

โดยทั่วไปอินเวอร์เตอร์ถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องการแปลงโดยตรงจากพลังงานไฟฟ้า DC ไปเป็น AC หรือทางอ้อมจากการแปลง AC ไป AC. การแปลง Dc ไป AC จะเป็นประโยชน์สำหรับหลายสาขารวมทั้งเครื่องปรับสภาพไฟฟ้​​า, เครื่องชดเชยฮาร์มอนิค, เครื่องขับมอเตอร์และ grid-integration ของพลังงานทดแทน

การแปลง AC/AC[แก้]

การแปลงไฟ AC เป็น AC ช่วยให้การควบคุมของแรงดันไฟฟ้า, ความถี่และเฟส[14]. สองประเภทหลักที่สามารถใช้ในการแยกชนิดของการแปลง คือ มีการเปลี่ยนเป็นความถี่หรือไม่[15] การแปลง AC/AC ที่ไม่เปลี่ยนความถี่เรียกว่า AC Voltage Controller หรือ AC Regulators. การแปลง AC/AC ที่มีการเปลี่ยนความถี่เรียกว่า AC/AC Conversion. converter ที่มีการแปรงความถี่มี 3 ประเภทคือ cycloconverter, matrix converter, DC link converter (หรือ AC/DC/AC converter)

AC voltage controller: หรือ AC Regulator ใช้ปรับแรงดันที่จ่ายให้โหลด แต่ความถี่ไม่เปลี่ยน. มี 3 วิธีคือ ON/OFF Control, Phase-Angle Control, and Pulse Width Modulation AC Chopper Control (PWM AC Chopper Control)[16] มีใช้ทั้งแบบ เฟสเดียวและ 3 เฟส

ON/OFF Control: โดยทั่วไปจะใช้สำหรับให้ความร้อนโหลดหรือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ โดยการเปิดสวิทช์ n รอบและปิดสวิทช์ m รอบ การเปิดสวิทช์และปิดเช่นนี้ทำให้เกิดฮาร์โมนิคที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้นจะต้องเปิด/ปิดสวิทช์ระหว่างสภาวะความดันและกระแสเป็นศูนย์ (zero crossing) เพื่อลดความเพี้ยน

Phase-Angle Control: ได้แก่วงจรเช่น half-wave และ full-wave control ซึ่งใช้อุปกรณ์ไดโอด, SCR และ Triac ผู้ใช้สามารถหน่วงมุมการยิง ซึ่งทำให้บางส่วนของรูปคลื่นเท่านั้นที่ออกมาที่เอ้าท์พุท

PWM AC Chopper Control: อีกสองวิธีที่การควบคุมมักจะมีฮาร์มอนิคออกมาไม่ดี, คุณภาพของกระแสที่เอ้าท์พุทไม่ดีและpower factor ที่อินพุทไม่ดี เพื่อปรับปรุงค่าเหล่านี้ PWM สามารถใช้แทนวิธีการอื่น ๆ สิ่งที่ PWM AC Chopper ทำก็คือให้สวิทช์เปิด-ปิดหลายครั้งในช่วงครึ่งรอบของแรงดัน AC ของอินพุท

Matrix converters and cycloconverters: Cycloconverters ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสำหรับการแปลง AC ไป AC สำหรับการประยุกต์ใช้ในงานที่ใช้พลังงานสูง การแปลงจะแปลงความถี่โดยตรงซึ่งจะถูก synchronise โดยซัพพลายลายน์ รูปคลื่นของแรงดันที่เอาต์พุตของ cycloconverters จะเป็นฮาร์โมนิคที่ซับซ้อนโดยที่ฮาร์โมนิคในลำดับสูงๆจะถูกกรองออกโดยอินดักแตนท์ของเครื่อง ฮาร์โมนิคส่วนที่เหลือจะทำให้เกิดความสูญเสียและพั้ลส์แรงบิดสร้างกำลังงาน พึงสังเกตว่าใน cycloconverter, ซึ่งแตกต่างจากตัวแปลงอื่น ๆ, ไม่มีตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุหรืออุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแต่อย่างใด ด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าอินพุทและเอาต์พุตมีค่าเท่ากันในทุกชั่วขณะ[17]

Single-Phase to Single-Phase Cycloconverters: การแปรงแบบนี้เริ่มได้รับความสนใจเร็วๆนี้ เนื่องจากการลดลงทั้งขนาดและราคาของสวิทช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ไฟฟ้า ac ความถี่สูง เฟสเดียวสามารถมีรูปคลื่นเป็นซายน์หรือรูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมูอย่างใดอย่างหนึ่ง ซึ่งนี้อาจจะเป็นช่วงแรงดันที่ศูนย์โวลท์เพื่อจุดประสงค์ในการควบคุมหรือช่วงการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์

Three-Phase to Single-Phase Cycloconverters: มีสองชนิดคือ: 3φไป1φ cycloconverters ครึ่งคลื่น, และ3φไป1φ cycloconverters bridge. ทั้งสองแบบสามารถแปลงในแรงดันได้ทั้งค่าบวกและค่าลบ นั่นคือตัวแปลงค่าบวกจะให้กระแสบวกเท่านั้น และการแปลงค่าลบจะให้แต่กระแสลบเท่านั้น

ด้วยความก้าวหน้าล่​​าสุดของอุปกรณ์ รูปแบบใหม่ของ cycloconverters มีการพัฒนาเช่นเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ การเปลี่ยนแปลงครั้งแรกที่สังเกตเห็นตอนแรกคือเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ใช้สวิทช์สองทิศทาง, สวิทช์ bipolar. เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์เฟสเดียว-เฟสเดียวประกอบด้วยเมทริกซ์ของ 9 สวิทช์ที่เชื่อมต่อสามอินพุทเฟสเข้ากับสามเอ้าท์พุทเฟส ในช่วงเวลาใดๆ อินพุทเฟสใดๆสามารถต่อเข้ากับเอ้าท์พุทเฟสใดๆก็ได้ แต่ต้องไม่ต่อเข้ากับเฟสเดิมด้วยเพราะจะทำให้ลัดวงจร เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์มีน้ำหนักเบา, กะทัดรัดมากขึ้นและหลากหลายกว่าโซลูชั่นอื่น ๆ เป็นผลรูปแบบนี้มีความสามารถที่จะบรรลุระดับที่สูงขึ้นของการอินทีเกรชั่น, การทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น, ความถี่ของเอ้าท์พุทที่กว้างและมีการไหลของพลังงานสองทิศทางที่เป็นธรรมชาติ เหมาะสมเพื่อฟื้นฟูพลังงานกลับไปยังยูทิลิตี้

เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ: แปลงโดยตรงและโดยอ้อม แปลงเมทริกซ์โดยตรงกับอินพุตสามเฟสและเอาต์พุตสามเฟส, สวิทช์ในการแปลงเมทริกซ์จะต้องมีสองทิศทางนั่นคือมันจะต้องสามารถ block แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วใดขั้วหนึ่งและนำกระแสในทิสทางใดทิศทางหนึ่ง กลยุทธ์นี้จะทำให้ได้แรงดันเอาต์พุตสูงสุดและลดปฏิกิริยากระแส line-side ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่ผ่านการแปลงสามารถย้อนกลับได้ เนื่องจากปัญหาการแลกเปลี่ยนและการควบคุมที่ซับซ้อนทำให้มันไม่ถูกใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม

ซึ่งแตกต่างจากเมทริกซ์แปลงโดยตรง เมทริกซ์แปลงทางอ้อมมีฟังก์ชันการทำงานเดียวกัน แต่ใช้การแยกส่วนอินพุทและเอ้าท์พุทซึ่งมีการเชื่อมต่อผ่าน dc link โดยไม่มีอุปกรณ์จัดเก็บ การออกแบบรวมถึง four-quadrant current source rectifier และ a voltage source inverter. ส่วนของอินพุทประกอบด้วยสวิทช์สองทิศทางแบบ bipolar กลยุทธ์การสลับทางสามารถนำมาใช้โดยการเปลี่ยนสถานะของส่วนอินพุตในขณะที่ส่วนเอ้าท์พุทอยู่ในโหมดอิสระเสรี อัลกอริทึมการแลกเปลี่ยนนี้เป็นความซับซ้อนน้อยกว่าและความน่าเชื่อถือที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับแปลงเมทริกซ์การแปรงโดยตรง.[18]

DC link converters: ยังถูกเรียกว่า AC/DC/ AC เป็นการแปลงไฟฟ้​​ากระแสสลับขาเข้าเพื่อการส่งออก AC ด้วยการใช้การเชื่อมโยงด้วย DC ในช่วงกลาง หมายความว่าพาวเวอร์จะถูกแปลงให้เป็น DC ด้วยวงจร rectifier และจากนั้นจะถูกแปลงกลับไปเป็น AC ด้วยอินเวอร์เตอร์ ผลลัพธ์ที่ได้คือเอาต์พุตที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำลงและความถี่ (สูงขึ้นหรือต่ำลง) ที่ปรับได้ เนื่องจากมีพื้นที่การใช้ที่กว้างขวาง ตัวแปลง AC/DC/AC จึงเป็นโซลูชั่นที่ร่วมสมัยที่พบบ่อยที่สุด ข้อดีอื่น ๆ ของต้วแปลง AC/DC/AC คือความเสถียรในสภาวะโอเวอร์โหลดและไม่มีโหลดและสามารถที่จะถูกปลดออกจากโหลดโดยไม่เกิดความเสียหายอีกด้วย[19]

Hybrid matrix converter: การแปลงแบบนี้ค่อนข้างใหม่สำหรับการแปลง AC/AC โดยรวมการออกแบบ AC/DC/AC กับการออกแบบแปลงเมทริกซ์ ตัวอย่างเช่นตัวแปรงที่ใช้สวิทช์ทางเดียงกับตังแปรงสองขั้นตอนโดยไม่มี dc-link, โดยไม่ต้องมีตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำที่จำเป็นสำหรับ dc-link, น้ำหนักและขนาดของตัวแปลงก็จะลดลง. สองประเภทย่อยที่มีอยู่จากแปลงไฮบริดชื่อ hybrid direct matrix converter (HDMC) และ hybrid indirect matrix converter (HIMC). HDMC แปลงแรงดันและกระแสในขั้นตอนหนึ่ง, ในขณะที่ HIMC ใช้ขั้นตอนที่แยกต่างหาก, เช่น การแปลง AC/DC/AC, แต่โดยไม่ต้องใช้องค์ประกอบการจัดเก็บพลังงานระหว่างขั้นตอนตรงกลาง.[20][21]

งานที่ใช้: ด้านล่างนี้เป็นรายการของการใช้งานทั่วไปที่แปลงแต่ละถูกนำมาใช้:

  • AC Voltage Controller; ควบคุมการให้แสงสว่าง, การให้ความอบอุ่นในชุมชนและอุตสาหกรรม, การควบคุมความเร็วของพัดลม, ปั๊มหรือไดรฟ์รอก, ซอฟท์สตาร์ทของมอเตอร์เหนี่ยวนำ, สวิทช์ AC คงที่ (การควบคุมอุณหภูมิ, การเปลี่ยนแทปหม้อแปลงไฟฟ้​​า ฯลฯ )
  • Cycloconverter: ไดรฟ์มอเตอร์ AC พลังงานสูงความเร็วต่ำกลับทางได้; พาวเวอร์ซัพพลายความถี่คงที่ ปรับความถี่อินพุทได้, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า VAR ที่ควบคุมได้สำหรับแก้ไขพาวเวอร์แฟกเตอร์; Interties AC สำหรับเชื่อมโยงระบบผลิตไฟฟ้าอิสระ
  • Matrix Converter: ในปัจจุบันการประยุกต์ใช้ตัวแปลงเมทริกซ์จะถูกจำกัด เนื่องจากกับจำนวนที่ไม่แน่นอนของ bilateral monolithic switches ที่มีความสามารถทำงานที่ความถี่สูง, การดำเนินงานตามกฎหมายควบคุมที่ซับซ้อน, การแลกเปลี่ยนและเหตุผลอื่น ๆ. ด้วยการพัฒนาเหล่านี้แปลงเมทริกซ์สามารถใช้ทดแทน cycloconverters ในหลายพื้นที่.
  • DC Link: สามารถใช้งานได้สำหรับงานเดี่ยวหรือหลายโหลดของการสร้างเครื่องจักรและการก่อสร้าง

แบบจำลองของการใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง[แก้]

แรงดันขาออกของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นกับ thyristors ควบคุม

วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีการจำลองการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์จำลองเช่น PSIM และ MATLAB / Simulink วงจรมีการจำลองก่อนที่จะมีการผลิตเพื่อทดสอบว่าวงจรการตอบสนองภายใต้เงื่อนไขบางประการ นอกจากนี้ยังมีการสร้างแบบจำลองเป็นทั้งที่ถูกกว่าและเร็วกว่าการสร้างต้นแบบที่จะใช้สำหรับการทดสอบ.[22]

การประยุกต์ใช้[แก้]

ระบบอิเล็กทรอนิกส์พลังงานจะพบในเกือบทุกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น:

  • DC/DC converters ใช้ในโทรศัพท์มือถือมากที่สุด (โทรศัพท์มือถือ, PDA ฯลฯ ) เพื่อรักษา
  • AC/DC converters (วงจรเรียงกระแส) จะใช้ทุกครั้งที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสียบปลั๊กไฟบ้าน (คอมพิวเตอร์, โทรทัศน์, ฯลฯ ) อาจทำแต่เพียงการเปลี่ยนแปลง AC ให้เป็น DC หรือเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องใช้ภายในอุปกรณ์นั้น
  • AC/AC converters จะใช้ในการเปลี่ยนทั้งระดับแรงดันไฟฟ้าหรือความถี่ (อะแดปเตอร์ไฟต่างประเทศ, ไฟหรี่แสง) ในเครือข่ายการกระจายไฟ การแปลง AC/AC อาจจะใช้ในการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างการไฟฟ้าแบบสายส่งไฟฟ้​​าความถี่ 50 Hz และ 60 Hz
  • DC/AC converters (อินเวอร์เตอร์) จะใช้เป็นหลักใน UPS หรือระบบพลังงานทดแทนหรือระบบไฟฉุกเฉิน เมื่อแหล่งจ่ายไฟสามารถกลับมาใช้ได้ ก็จะชาร์จแบตเตอรี่ DC, ถ้าไฟฟ้าล้มเหลว อินเวอร์เตอร์จะใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า AC จากแบตเตอรี่ DC

อิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นการประยุกต์ใช้อิเล็กทรอนิกส์เพื่อควบคุมและแปลงพลังงานไฟฟ้า การประยุกต์ใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดตั้งแต่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิทช์โหมดใน AC อะแด็บเตอร์, เครื่องชาร์จแบตเตอรี่, บัลลาสต์หลอดไฟเรืองแสง, ไปจนถึงไดรฟ์ความถี่ตัวแปรและ DC มอเตอร์ไดรฟ์ที่ใช้ในงานปั๊ม, พัดลมและเครื่องจักรการผลิต, ได้ถึงระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูงเป็นกิกะวัตต์ เพื่อเชื่อมต่อระหว่างสายส่งไฟฟ้​​าหลายระบบ

ไดรฟ์มอเตอร์จะพบได้ในปั๊ม, เป่าลมและไดรฟ์ของโรงงานสิ่งทอ, กระดาษ, ซีเมนต์และสิ่งอำนวยความสะดวกอื่น ๆ ไดรฟ์อาจจะใช้สำหรับการแปลงพลังงานและการควบคุมการเคลื่อนไหว.[23] สำหรับมอเตอร์ AC, การใช้งานรวมถึงไดรฟ์ตัวแปรความถี่มอเตอร์ soft starters และ กระตุ้นระบบ.[24]

ในยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริด (HEVs) อิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกใช้ในสองรูปแบบ: ไฮบริดอนุกรมและไฮบริดแบบคู่ขนาน ความแตกต่างระหว่างไฮบริดอนุกรมและไฮบริดแบบขนานเป็นสถานที่ตั้งของมอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE). อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยตังแปลง DC/DC สำหรับชาร์จแบตเตอรี่และ DC/AC ไปให้มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อน รถไฟไฟฟ้าเป็นการใช้ที่ยิ่งใหญ่ในการขนส่งสาธารณะโดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ชุมชน รถไฟเหล่านี้ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อให้ได้กำลังงานและเวกเตอร์ตอนโทรลโดยใช้วงจรเรียงกระแสแบบ pulse-width modulation (PWM) อุปกรณ์เหล่านี้มีการใช้เนื่องจากรถไฟได้รับพาวเวอร์จากรางที่สาม อีกประการหนึ่งการใช้งานใหม่สำหรับอิเล็กทรอนิกส์กำลังอยู่ในระบบลิฟท์ ระบบเหล่านี้อาจจะใช้ thyristors อินเวอร์เตอร์, มอเตอร์แม่เหล็กถาวรหรือระบบไฮบริดต่างๆที่รวม PWM ระบบและมอเตอร์มาตรฐาน[25]. การใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่กล่าวข้างต้นเป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนของการใช้งานในชุมชนที่อยู่อาศัยและที่สาธารณะ

สมาร์ทกริด[แก้]

สมาร์ทกริดคือแนวคิดในการที่ระบบพลังงานทดแทนจะรวมอยู่ในพาวเวอร์กริดที่มีอยู่. อิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกใช้ในการแปลงพลังงานที่สร้างขึ้นแบบกระจายเข้าสู่พลังงานที่สามารถใช้งานได้สำหรับกริด

พลังงานไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นโดยกังหันลมและกังหันพลังน้ำโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ แต่น่าเสียดายที่กระแสลมและน้ำอาจจะไม่ได้รับการควบคุมอย่างเต็มที่และสามารถก่อให้เกิดความแปรปรวนในความถี่ที่กำลังจะถูกสร้างขึ้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ถูกนำมาใช้ในระบบเหล่านี้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้างขึ้นเป็นกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) HVDC สามารถแปลงได้ง่ายให้เป็นกำลังไฟสามเฟสที่ป้อนให้กับกริดที่มีอยู่ ด้วยอุปกรณ์เหล่านี้พลังงานที่ถูกจัดส่งไปจะสะอาดและมี power factor สูงขึ้น ในระบบพลังงานลม แรงบิดที่ดีที่สุดในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะได้รับผ่านเกียร์บ๊อก ในทางตรงกันข้ามบางระบบใช้เทคโนโลยีไดรฟ์โดยตรงโดยลดขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและถอดเกียร์บ๊อกออกจากระบบ.[26]

พลังงานไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นผ่านเซลล์แสงอาทิตย์โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง. พลังงานที่ผลิตจะถูกแปลงโดยอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์จะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทที่แตกต่างกันแปลง: central converters, module-integrated converters, และ string converters central converters สามารถเชื่อมต่อได้ในแบบขนานหรือแบบอนุกรมทางด้าน DC ของระบบ. สำหรับฟาร์มแสงอาทิตย์, เพียงหนึ่งแปลงกลางถูกนำมาใช้ในระบบทั้งหมด. Module-integrated converters มีการเชื่อมต่อแบบอนุกรมบนฝั่ง DC และฝั่ง AC. มีหลายโมดูลปกติภายในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เนื่องจากระบบต้องการแปลงทั้ง DC และ AC. string converter ใช้ในระบบที่ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่กำลังเผชิญทิศทางที่แตกต่างกัน มันถูกใช้ในการแปลงพลังงานที่สร้างขึ้นเพื่อแต่ละ string หรือสาย ในที่ซึ่งในเซลล์แสงอาทิตย์จะมีปฏิสัมพันธ์.[27]

อ้างอิง[แก้]

  1. Thompson, M.T. "Notes 01". Introduction to Power Electronics. Thompson Consulting, Inc.
  2. Kharagpur. "Power Semiconductor Devices". EE IIT. Retrieved 25 March 2012.
  3. Muhammad H. Rashid,POWER ELECTRONICS HANDBOOK DEVICES, CIRCUITS, AND APPLICATIONS Third Edition Butterworth-Heinemann,2007 ISBN 978-0-12-382036-5
  4. Hart, D. (2010). Power Electronics. McGraw-Hill Education. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
  5. Hart, D. (2010). Power Electronics. McGraw-Hill Education. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
  6. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
  7. Bose, B (April 1992). "Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters". IEEE Transactions on Industry Applications 28 (2).
  8. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
  9. Bose, B (April 1992). "Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters". IEEE Transactions on Industry Applications 28 (2).
  10. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2
  11. "semiconductor GTO". GTO. ABB. Retrieved 21 March 2012.
  12. Rashid, M.H. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. pp. 225–250.
  13. Trzynadlowski, A.M. (2010). Introduction to Modern Power Electronics. Wiley. pp. 269–341.
  14. Rahsid, M.H. (2010). Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Elsevier. pp. 147–564. ISBN 978-0-12-382036-5.
  15. Skvarenina, T.L. (2002). The power electronics handbook Industrial electronics series. CRC Press. pp. 94–140. ISBN 978-0-8493-7336-7.
  16. Rashid, M.H. (2005). Digital power electronics and applications Electronics & Electrical. Academic Press. ISBN 978-0-12-088757-6
  17. Tolbert, L.M. "CYCLOCONVERTERS". University of Tennessee. Retrieved 23 March 2012.
  18. Klumpner, C. "Power Electronics 2". Retrieved 23 March 2012.
  19. Vodovozov, V (2006). Electronic engineering. ISBN 978-9985-69-039-0.
  20. Lipo; Kim, Sul. "AC/AC Power Conversion Based on Matric Converter Topology with Unidirectional Switches". IEEE Transactions on Industry Applications 36 (1): 139–145.
  21. Wheeler; Wijekoon, Klumpner (July 2008). "Implementation of a Hybrid AC/AC Direct Power Converter with Unity Voltage Transfer Ratio". IEEE Transactions on Power Electronics 23 (4): 1918–1986.
  22. Khader, S. "THE APPLICATION OF PSIM & MATLAB/ SIMULINK IN POWER ELECTRONICS COURSES". Retrieved 25 March 2012.
  23. Bose, Bimal K. (September/October 1993). "Power Electronics and Motion Control - Technology Status and Recent Trends". IEEE.
  24. Bose, Bimal K. (February 2009). "Power Electronics and Motor Drives Recent Progress and Perspective". IEEE.
  25. Yano, Masao; Shigery Abe, Eiichi Ohno (2004). "History of Power Electronics for Motor Drives in Japan". IEEE.
  26. Carrasco, Juan Manuel; Leopoldo Garcia Franquelo, Jan T. Bialasiewecz, Eduardo Galvan, Ramon C. Portillo Guisado, Ma. Angeles Martin Prats, Jose Ignacio Leon, Narciso Moreno-Alfonso (August 2006). "Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Sources: A Survey". IEEE 53 (4): 1002.
  27. Carrasco, Juan Manuel; Leopoldo Garcia Franquelo, Jan T. Bialasiewecz, Eduardo Galvan, Ramon C. Portillo Guisado, Ma. Angeles Martin Prats, Jose Ignacio Leon, Narciso Moreno-Alfonso (August 2006). "Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Sources: A Survey". IEEE 53 (4): 1002.