¿Por qué/cuándo la conversión AC-DC-AC es superior a la conversión directa AC-AC?

Question

Actualmente estoy estudiando la energía eólica y la electrónica de potencia que se utiliza para ella. En la energía eólica un generador es impulsado por el viento, por lo que la potencia resultante es de frecuencia y amplitud muy variable. La red eléctrica, a su vez, tiene requisitos estrictos para la potencia de entrada en términos de frecuencia, desfase y forma sinusoidal. Por esta razón, los convertidores de potencia se utilizan hoy en día de forma rutinaria en la energía eólica.

La forma predominante de llevar la energía a la red es utilizar un convertidor AC-DC, seguido de un convertidor DC-DC y un convertidor DC-AC. Esto parece bastante complicado en lugar de utilizar un único convertidor directo AC-AC. ¿Por qué es preferible la conversión indirecta a través de la ruta "intermedia" de CC?

(Esto es en realidad una repost de Engineering (ya que sólo me enteré más tarde de que hay una Ingeniería Eléctrica más activa, que se ajusta a la temática y que no es beta).

Answer 1

Existe un tipo de convertidor que puede hacerlo: el convertidor matricial.

En teoría, puede tomar muchas fases de entrada y producir muchas fases de salida en una gama bastante amplia de frecuencias. También tiene la ventaja adicional de no necesitar ningún pasivo de potencia (en teoría), ni grandes condensadores, ni grandes inductores.

Sin embargo, hay dos reglas de oro con los convertidores matriciales

1. No deberás provocar un cortocircuito en el suministro
2. No deberás abrir el circuito de la carga

El punto 2 es el que hace que la topología sea poco práctica, ya que una simple pérdida de potencia hará que el inversor explote.

Existe una variante del convertidor matricial llamada cicloconvertidor que utiliza tiristores y no sufre los mismos problemas que un convertidor matricial completo. Sin embargo, tiene la limitación de que sólo puede sintetizar una frecuencia de salida en torno a 1/10 de la frecuencia de entrada. Esta limitación está bien para la marina, que suele utilizar suministros eléctricos de 400 Hz, por lo que generar 40 Hz no es demasiado limitante para la propulsión.

Entonces, ¿por qué AC-DC-AC en lugar de AC-AC directo ... Las complicaciones y limitaciones. Un inversor de seis interruptores es extremadamente versátil.

Answer 2

Cuando hay dos rutas posibles, rara vez hay una buena respuesta a por qué se eligió una en particular. A menudo se trata de accidentes de la historia, o de las ventajas de una u otra en función de las industrias locales, o de los componentes comunes.

Hay una ruta totalmente electrónica directamente de CA trifásica a una frecuencia a otra, se llama un convertidor de matriz. Contiene 9 interruptores en una matriz de 3x3, para conectar cualquier fase a cualquier otra. Con una sincronización adecuada de los instantes de conmutación, y unos filtros de entrada y salida adecuados, puede crear una tensión de salida similar a la de entrada. Cada vez se utilizan más en los accionamientos de motores.

Sin embargo, se me ocurren muchas ventajas de utilizar un enlace intermedio de CC.

Los convertidores AC-DC y DC-AC se fabrican en gran número y en grandes tamaños para los enlaces de corriente continua en los que la transmisión a larga distancia es un factor importante. Esto permitirá realizar economías de escala. Son más maduros que los convertidores matriciales, por lo que con la larga planificación que conlleva la infraestructura eléctrica es más probable que se hayan elegido. Los aerogeneradores tienden a conectarse en saltos cortos a los centros de distribución antes de conectarse a una única línea de transmisión de larga distancia (muy larga en el caso de la costa). Es más fácil agrupar la energía a una tensión intermedia nominal de CC, lo que simplifica el control. Es más fácil mantener la corriente continua durante la transmisión de larga distancia.

Answer 3

La razón de la conversión directa CA-CA es el tamaño y la masa de la bobina de CC (o conjunto de condensadores). Esto no es conveniente, por ejemplo, en un vagón de metro con ruedas de goma o en un avión. En los trenes con ruedas de hierro depende, porque más masa significa mejor fricción.

Eso no se aplica a los edificios.

No se puede ahorrar en válvulas (transistores o tiristores). Por el contrario, los convertidores AC-AC suelen tener más válvulas (aunque más pequeñas) que los convertidores AC-DC-AC. El concepto de control también es mucho más complicado.

Answer 4

La conversión AC-DC-AC gana cuando se tienen varias fuentes AC diferentes para combinar en una sola salida AC, (o cuando se tiene lo contrario).

Cada generador asíncrono produce una alimentación de CA que se rectifica y se eleva a una tensión de bus de CC, la cual alimenta a un inversor conectado a la red.

Answer 5

Una ventaja de la conversión AC-DC-AC es que se puede convertir la frecuencia de la AC. También hay potencia militar de 400 Hz, lo que puede suponer una considerable reducción de tamaño. En mi caso particular, necesitaba acceder a motores que funcionaran dentro de una cámara de vacío. Había equipos de la NASA y de uso militar que cumplían nuestros requisitos, así que optamos por utilizar la energía de 400 Hz. Reconozco que es bastante especializado, por lo que probablemente no sea aplicable a usted.