AC/ACコンバータ入門

AC/ACコンバータの定義と目的

AC/ACコンバータは、制御されていない交流 (AC) RMS入力電圧と周波数を制御されたAC RMS出力電圧と周波数に変換するパワーエレクトロニクスデバイスです。AC電圧コントローラまたはACレギュレータとも呼ばれます。これらのコンバータは、AC出力のRMSおよび周波数を調整および維持するのに役立ちます。これにより、さまざまなタイプの負荷との互換性がさらに保証されます。また、電力品質の向上や、電気系統の精密制御が可能になるなどのメリットもあります。

多くのパワーエレクトロニクスアプリケーションで、AC/ACコンバータは、電圧および周波数要件が異なるさまざまなACシステムまたは部品間の電力伝達を制御および最適化します。このコンバータの能力により、電力フローの管理が改善され、システム効率が向上し、信頼性が向上します。

適切なRMS電圧と周波数レベルを達成するために、AC/ACコンバータは入力AC波形の位相角またはデューティサイクルを変更することによって出力波形を変更します。アプリケーションの特定の要件に応じて、これらのコンバータは、入力RMS電圧および周波数と高い、低い、または同等の出力RMS電圧 / 周波数を提供できるように設計できます。

全体として、AC/ACコンバータは、出力AC電圧のRMSと周波数を正確に制御し、さまざまな電気負荷とシステムの効率的な動作を可能にすることで、現代のパワーエレクトロニクスシステムにおいて重要な役割を果たします。

AC/ACコンバータの種類

AC/ACコンバータの分類は、基本的にトポロジー、制御方法、入出力位相数などのいくつかのカテゴリに基づいて実行されます。一般的に使用されているAC/ACコンバータの一部を以下に示します。

単相AC/ACコンバータ : 名前が示すように、これらのコンバータは単相ACシステムのRMS電圧と周波数を制御するために使用されます。電力要件が比較的少ないため、住宅や小規模な商用用途でよく使用されています。以下のサブカテゴリを使用して、単相AC/ACコンバータをさらに分類できます。

位相制御コンバータ : これらのコンバータは、サイリスタまたはトライアックを主スイッチングデバイスとして使用して、入力AC波形の位相角または点弧角を調整することにより、RMS出力電圧を制御します。これらは一般的に、ライティングおよび加熱システム、モータ速度制御、電源などの抵抗および誘導負荷に使用されます。
パルス幅変調 (PWM) コンバータ : PWMコンバータは、IGBTやMOSFETなどの高周波スイッチングデバイスを介して入力波形のデューティサイクルを変化させることにより、RMS出力電圧を調整します。さらに、位相制御コンバータよりも高調波歪みを低減し、出力電圧制御を向上させることができます。

三相AC/ACコンバータ : 産業用および大規模な商用アプリケーションでは、これらのコンバータは三相ACシステムのRMS電圧と周波数を制御するために使用されます。単相コンバータと比較して、これらのコンバータは、電力品質と効率を向上しながら、より高い電力レベルを処理することができます。存在する三相AC/ACコンバータには、次の2つのカテゴリがあります。

位相制御コンバータ : これらのコンバータは、単相等価部品と同様に、サイリスタなどの位相制御部品を使用して入力波形の位相角を変化させることで、RMS出力電圧を調整します。これらは、無効電力補償、力率補正、モータ速度制御などのアプリケーションで頻繁に使用されます。
マトリックスコンバータ : ダイレクトAC/ACコンバータは、マトリックスコンバータと呼ばれ、複数の双方向スイッチを使用して入力位相と出力位相を直接接続します。コンデンサやDCリンクなどの追加のエネルギー貯蔵部品を使用する必要がありません。コンパクトなサイズ、効率の向上、およびRMS電圧と周波数を調整する柔軟性は、この設計のメリットのほんの一部です。しかし、他のAC/ACコンバータよりも実装が複雑でコストがかかります。

サイクロコンバータ : これは、AC入力RMS電圧と周波数を同じRMS電圧レベルを維持しながら、低い出力周波数に変換する特殊なタイプのコンバータです。これらは、大型誘導モータや同期モータドライブなど、正確な速度制御が必要な高出力および低周波数アプリケーションで有益だと考えられています。

パワーエレクトロニクスにおけるアプリケーションと重要性

AC/ACコンバータは、最新のパワーエレクトロニクスシステムで重要な役割を果たしています。これらのコンバータは、さまざまなアプリケーションでAC RMS電圧と周波数を制御するのに非常に効率的です。省エネルギーと電力品質の向上に対する需要の高まりにより、AC/ACコンバータの多様性の重要性が高まっています。パワーエレクトロニクスにおけるAC/ACコンバータの主なアプリケーションと重要性を以下で説明します。

モーター速度制御 : AC/ACコンバータは、モータに供給されるRMS電圧と周波数を調整するだけで、ACモータの速度を制御することが知られています。これらは、産業用オートメーション、電気自動車、ロボティクスアプリケーションで使用されている誘導モータや同期整流モータを含むさまざまなタイプのモータの速度制御とエネルギー効率の向上を提供します。

ライティングシステム : 白熱灯、蛍光灯、LEDライティングなどの現代的なライティングシステムでは、AC/ACコンバータが頻繁に使用されています。これらのコンバータは、ランプに供給されるRMS電圧とRMS電流を制御することにより、調光機能を提供し、エネルギー効率を高め、ライティング機器の寿命を延ばすことができます。これは、エネルギーの節約とメンテナンスコストが大きな問題となる商業および公共のライティングシステムにとって重要です。

力率補正 (PFC) : これは、電力分配システム、特に大規模な産業および商用アプリケーションでのAC/ACコンバータのもう1つの一般的な使用例です。ここでは、力率が低いとエネルギーコストが増加し、電力会社からペナルティが科せられる可能性があります。負荷に供給される無効電力を調整することで、これらのコンバータは実際にエネルギー損失を減らし、ほぼ単一の力率を維持し、全体的な電力品質を向上させることができます。

無停電電源装置 (UPS): 配電停止や停電が発生した場合、重要な負荷は、不可欠な部品としてAC/ACコンバータを含む無停電電源装置によって継続的かつ安定的に電力供給されます。これらのコンバータは、RMSの出力電圧と周波数を調整することで、電力品質に問題がある場合、コンピュータ、サーバー、医療機器などの繊細な電子機器を効果的に動作させることができます。

再生可能エネルギーシステム : 太陽光、風力、水力などから発電するためには、AC/ACコンバータも重要です。これらのコンバータは、生成された電力のRMS電圧と周波数を調整するために使用され、電力グリッドへの効果的な統合や負荷による直接使用を可能にします。

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