Por que / quando a conversão AC-DC-AC é superior à conversão direta de AC-AC?

Atualmente, estou estudando energia eólica e a eletrônica de potência usada para isso. Na energia eólica, um gerador é acionado pelo vento, portanto, a energia resultante é de frequência e amplitude muito variadas. A rede elétrica, por sua vez, possui requisitos rígidos para a potência de entrada em termos de frequência, mudança de fase e forma senoidal. Por esse motivo, hoje os conversores de energia são usados ​​rotineiramente em energia eólica.

A maneira predominante de obter energia na rede é usar um conversor CA-CC, seguido por um conversor CC-CC e um conversor CC-CA. Isso parece bastante complicado, em vez de usar um único conversor CA-CA direto. Por que é preferível a conversão indireta via rota "intermediária" do DC?

(Na verdade, este é um repost da Engenharia , pois só descobri mais tarde que há uma Engenharia Elétrica não-beta, mais ativa, com tema mais adequado.)

Existe um tipo de conversor que pode fazer isso: o conversor de matriz.

Em teoria, pode levar muitas fases e produzir muitas fases em uma ampla gama de frequências. Ele também tem o benefício adicional de não precisar de nenhum passivo de potência (em teoria), ou nenhum capacitor grande, nem grandes indutores.

No entanto, existem duas regras de ouro com conversores de matriz

1. Não curto-circuito o suprimento
2. Não abrirás a carga em circuito aberto

É o ponto 2 que torna a topologia impraticável, pois uma simples perda de energia fará com que o inversor exploda.

Existe uma variante do conversor de matriz chamada cicloconversor que usa tiristores e não sofre os mesmos problemas que um conversor de matriz completa. No entanto, tem uma limitação de ser capaz de sintetizar apenas uma frequência de saída em torno de 1/10 da frequência de entrada. Essa limitação é boa para o setor marítimo, que normalmente usa suprimentos elétricos de 400Hz, portanto, gerar 40Hz não é muito limitante para propulsão

Então, por que AC-DC-AC em vez de AC-AC direto ... As complicações e limitações. Um inversor de seis interruptores é extremamente versátil.

Quando duas rotas são possíveis, raramente há uma boa resposta para o motivo de uma delas ter sido escolhida. Muitas vezes, são acidentes históricos ou vantagens para um ou outro, dependendo das indústrias locais ou de componentes comuns.

Existe uma rota totalmente eletrônica diretamente da CA trifásica de uma frequência para outra, chamada de Matrix Converter. Ele contém 9 comutadores em uma matriz 3x3, para conectar qualquer fase a qualquer outra. Com o tempo adequado dos instantes do comutador e os filtros de entrada e saída adequados, ele pode criar uma tensão de saída semelhante à entrada. Eles estão se tornando cada vez mais utilizados para acionamentos de motores.

No entanto, posso pensar em muitas vantagens em usar um link DC intermediário.

Os conversores CA-CC e CC-CA estão sendo fabricados em grandes números, em tamanhos grandes para links CC, onde a transmissão de longa distância é um fator. Isso levará a economias de escala. Eles são mais maduros que os conversores de matriz, portanto, com o longo planejamento envolvido na infraestrutura elétrica, é mais provável que tenham sido escolhidos. As turbinas eólicas tendem a ser conectadas em hops curtos a hubs antes de serem conectadas a uma única linha de transmissão de longa distância (muito longa no caso de offshore). É mais fácil reunir a energia em uma tensão intermediária DC nominal, simplificando o controle. É mais fácil permanecer em DC para a transmissão longa.

O motivo da conversão direta de CA-CA é o tamanho e a massa da bobina de estrangulamento CC (ou matriz de capacitores). Você não quer ter isso, por exemplo, em um vagão ou metrô com rodas de borracha. Nos trens com rodas de ferro, isso depende, porque mais massa significa melhor atrito.

Isso não se aplica aos edifícios.

Você não pode economizar em válvulas (transistores ou tiristores). Pelo contrário, os conversores CA-CA tendem a ter mais válvulas (embora menores) do que os conversores CA-CC-CA. O conceito de controle também é muito mais complicado.

A conversão AC-DC-AC vence quando você tem várias fontes de CA diferentes para combinar em uma única saída de CA (ou quando você tem o oposto).

cada gerador assíncrono produz uma fonte CA que é retificada e aumentada para uma tensão de barramento CC, a tensão de barramento então alimenta um inversor ligado à rede.

Uma vantagem da conversão AC-DC-AC é que você pode converter a frequência do AC. Também há potência militar de 400 Hz, o que pode resultar em uma considerável redução de tamanho. No meu caso particular, eu precisava de acesso a motores que funcionassem dentro de uma câmara de vácuo. Havia equipamentos disponíveis para uso militar e da NASA que atendiam aos nossos requisitos, portanto optamos por usar energia de 400 Hz. Reconheço que é bastante especializado, portanto provavelmente não é aplicável a você.