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

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

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

(Esto es en realidad un reenvío de Ingeniería , ya que solo descubrí más tarde que hay una Ingeniería Eléctrica no beta más activa, temáticamente adecuada).

Hay un tipo de convertidor que puede hacer esto: el convertidor matricial.

En teoría, puede tomar muchas fases y producir muchas fases en un rango bastante amplio de frecuencias. También tiene el beneficio adicional de no necesitar pasivos de potencia (en teoría), o no tener condensadores grandes, ni inductores grandes.

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

1. No cortocircuitarás el suministro
2. No abrirás la carga en circuito abierto

Es el punto # 2 lo 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 solo poder sintetizar una frecuencia de salida alrededor de 1/10 de la frecuencia de entrada. Esta limitación está bien para la marina que generalmente usa suministros eléctricos de 400Hz, por lo que generar 40Hz 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.

Cuando son posibles dos rutas, rara vez hay una buena respuesta de por qué se eligió una en particular. A menudo son accidentes de la historia o ventajas para uno u otro dependiendo de las industrias locales o componentes comunes.

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

Sin embargo, puedo pensar en muchas ventajas de usar un enlace DC intermedio.

Los convertidores AC-DC y DC-AC se fabrican en grandes cantidades, en grandes tamaños para enlaces DC donde la transmisión a larga distancia es un factor. Esto conducirá a economías de escala. Son más maduros que los convertidores matriciales, por lo que con la larga planificación involucrada en la infraestructura eléctrica es más probable que hayan sido elegidos. Las turbinas eólicas tienden a conectarse en saltos cortos a los centros antes de conectarse a una sola línea de transmisión de larga distancia (muy larga en el caso de alta mar). Es más fácil agrupar la energía a un voltaje intermedio de CC nominal, lo que simplifica el control. Es más fácil permanecer DC para la transmisión larga.

El motivo de la conversión directa de CA-CA es el tamaño y la masa de la bobina de choque de CC (o conjunto de condensadores). No desea tener eso, por ejemplo, en un vagón o avión de metro con ruedas de goma. En los trenes con ruedas de hierro depende, porque más masa significa mejor fricción.

Eso no se aplica a los edificios.

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

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

cada generador asíncrono produce un suministro de CA que se rectifica y aumenta a un voltaje de bus de CC, el voltaje del bus alimenta un inversor conectado a la red.

Una ventaja de la conversión AC-DC-AC es que puede convertir la frecuencia de la CA. También hay una potencia militar de 400 Hz, que puede resultar en una reducción considerable de tamaño. En mi caso particular, necesitaba acceso a motores que funcionaran dentro de una cámara de vacío. Se disponía de equipo para uso militar y de la NASA que cumplía con nuestros requisitos, por lo que optamos por utilizar una potencia de 400 Hz. Reconozco que es bastante especializado, por lo que probablemente no sea aplicable en su caso.