ความหมายและวัตถุประสงค์ของตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/กระแสสลับ

ตัวแปลง AC/AC เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและความถี่กระแสสลับ (AC) RMS ที่ไม่ได้ควบคุม ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกและความถี่ AC RMS ที่ถูกควบคุม ตัวแปลงเหล่านี้ยังรู้จักกันในชื่อตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า AC หรือตัวควบคุม AC ตัวแปลงเหล่านี้มีประโยชน์ในการควบคุมและรักษาค่า RMS และ/หรือความถี่ของเอาต์พุต AC ซึ่งรับประกันความเข้ากันได้กับโหลดหลายประเภท ข้อดีอื่นๆ ของการใช้ตัวแปลงเหล่านี้ ได้แก่ การปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าและช่วยให้สามารถควบคุมระบบไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ

ในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังหลายประเภท ตัวแปลงไฟ AC/AC จะควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบหรืออุปกรณ์ AC ต่างๆ ที่มีความต้องการแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่แตกต่างกัน ความสามารถของตัวแปลงไฟนี้ช่วยให้สามารถจัดการการไหลของพลังงานได้ดีขึ้น เพิ่มประสิทธิภาพของระบบ และเพิ่มความน่าเชื่อถือ

เพื่อให้ได้ระดับแรงดันและความถี่ RMS ที่เหมาะสม ตัวแปลง AC/AC จะปรับเปลี่ยนรูปคลื่นเอาต์พุตโดยการเปลี่ยนมุมเฟสหรือรอบหน้าที่ของรูปคลื่น AC อินพุต ตัวแปลงเหล่านี้สามารถออกแบบให้สามารถให้แรงดัน/ความถี่ RMS เอาต์พุตได้สูงขึ้น ต่ำลง หรือเท่ากับแรงดันและความถี่ RMS อินพุต ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน

โดยรวมแล้วตัวแปลง AC/AC มีบทบาทสำคัญในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่ โดยให้การควบคุม RMS และความถี่ของแรงดันไฟฟ้า AC ขาออกอย่างแม่นยำ จึงทำให้สามารถทำงานของโหลดและระบบไฟฟ้าต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ประเภทของเครื่องแปลงไฟ AC/AC

การจำแนกประเภทของตัวแปลง AC/AC โดยทั่วไปจะพิจารณาจากหลายประเภท เช่น โทโพโลยี วิธีการควบคุม และจำนวนเฟสอินพุตและเอาต์พุต ตัวแปลง AC/AC ที่นิยมใช้กันทั่วไปมีดังต่อไปนี้:

1. ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว: ตามชื่อเรียก ตัวแปลงไฟฟ้าเหล่านี้ใช้เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้า RMS และความถี่ของระบบไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว เนื่องจากมีความต้องการพลังงานค่อนข้างต่ำ จึงมักนำไปใช้ในที่พักอาศัยและเชิงพาณิชย์ขนาดเล็ก สามารถจำแนกประเภทตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวเพิ่มเติมได้ดังนี้:
   
   1. ตัวแปลงควบคุมเฟส: ตัวแปลงเหล่านี้ควบคุมแรงดันเอาต์พุต RMS โดยการปรับมุมเฟสหรือมุมจุดระเบิดของรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า โดยใช้ไทริสเตอร์หรือไตรแอคเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งหลัก ตัวแปลงเหล่านี้มักใช้กับโหลดแบบต้านทานและแบบเหนี่ยวนำ เช่น ระบบแสงสว่างและระบบทำความร้อน ระบบควบคุมความเร็วมอเตอร์ และแหล่งจ่ายไฟ
   2. ตัวแปลงพัลส์-ความกว้างมอดูเลต (PWM): ตัวแปลง PWM ควบคุมแรงดันเอาต์พุต RMS โดยการเปลี่ยนแปลงรอบหน้าที่ของรูปคลื่นอินพุตผ่านอุปกรณ์สวิตชิ่งความถี่สูง เช่น IGBT หรือ MOSFET ยิ่งไปกว่านั้น ตัวแปลงเหล่านี้ยังดีกว่าตัวแปลงแบบควบคุมเฟส เนื่องจากช่วยลดความเพี้ยนของฮาร์มอนิกและปรับปรุงการควบคุมแรงดันเอาต์พุต
2. ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส: ในอุตสาหกรรมและการใช้งานเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ ตัวแปลงไฟฟ้าเหล่านี้ใช้เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้า RMS และความถี่ของระบบไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลงไฟฟ้าเฟสเดียว ตัวแปลงไฟฟ้าเหล่านี้สามารถรองรับระดับพลังงานที่สูงกว่าได้ดีกว่า พร้อมทั้งปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพพลังงาน ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสมีอยู่สองประเภท ได้แก่:
   
   1. ตัวแปลงควบคุมเฟส: ตัวแปลงเหล่านี้ เช่นเดียวกับตัวแปลงเฟสเดียว จะควบคุมแรงดันเอาต์พุต RMS โดยการเปลี่ยนมุมเฟสของรูปคลื่นอินพุตโดยใช้อุปกรณ์ควบคุมเฟส เช่น ไทริสเตอร์ มักใช้งานในแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับการชดเชยกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ การแก้ไขตัวประกอบกำลัง และการควบคุมความเร็วมอเตอร์
   2. ตัวแปลงเมทริกซ์: ตัวแปลง AC/AC แบบตรง หรือที่เรียกว่าตัวแปลงเมทริกซ์ ใช้สวิตช์แบบสองทิศทางจำนวนหนึ่งเพื่อเชื่อมต่อเฟสอินพุตและเอาต์พุตโดยตรง โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานเพิ่มเติม เช่น ตัวเก็บประจุหรือลิงก์ DC ระหว่างกลาง ข้อดีบางประการของการออกแบบนี้ ได้แก่ ขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น และความยืดหยุ่นในการควบคุมแรงดันและความถี่ RMS อย่างไรก็ตาม ตัวแปลงเหล่านี้มีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายในการใช้งานสูงกว่าตัวแปลง AC/AC รูปแบบอื่นๆ
3. ไซโคลคอนเวอร์เตอร์: เป็นคอนเวอร์เตอร์ชนิดพิเศษที่แปลงแรงดันไฟฟ้าและความถี่ RMS ขาเข้า AC ให้เป็นความถี่ขาออกที่ต่ำกว่า โดยยังคงรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า RMS ไว้เท่าเดิม คอนเวอร์เตอร์เหล่านี้มีประโยชน์ในการใช้งานกำลังสูงและความถี่ต่ำที่จำเป็นต้องมีการควบคุมความเร็วที่แม่นยำ เช่น ไดรฟ์มอเตอร์เหนี่ยวนำและซิงโครนัสขนาดใหญ่

การประยุกต์ใช้และความสำคัญในอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

ตัวแปลง AC/AC มีบทบาทสำคัญในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่ ตัวแปลงเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงในการควบคุมแรงดันและความถี่ AC RMS ในการใช้งานที่หลากหลาย ความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นในการอนุรักษ์พลังงานและการปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าทำให้ตัวแปลง AC/AC มีความสำคัญเพิ่มขึ้นหลายเท่า การประยุกต์ใช้งานหลักและความสำคัญของตัวแปลง AC/AC ในอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีดังต่อไปนี้:

การควบคุมความเร็วมอเตอร์: ตัวแปลง AC/AC เป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ AC ได้ง่ายๆ โดยการปรับแรงดันไฟฟ้า RMS และความถี่ที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ตัวแปลงเหล่านี้ช่วยควบคุมความเร็วและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานสำหรับมอเตอร์หลายประเภท รวมถึงมอเตอร์เหนี่ยวนำและมอเตอร์ซิงโครนัส ซึ่งใช้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ยานยนต์ไฟฟ้า และหุ่นยนต์

ระบบแสงสว่าง: ในระบบแสงสว่างสมัยใหม่ เช่น หลอดไส้ หลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอด LED มักมีการใช้ตัวแปลงไฟ AC/AC ตัวแปลงไฟเหล่านี้สามารถหรี่แสงได้ เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์แสงสว่างโดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้า RMS และกระแสไฟฟ้า RMS ที่ส่งไปยังหลอดไฟ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบแสงสว่างเชิงพาณิชย์และสาธารณะ ซึ่งการประหยัดพลังงานและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเป็นปัญหาสำคัญ

การแก้ไขค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (PFC): เป็นอีกหนึ่งการใช้งานตัวแปลงไฟ AC/AC ที่ได้รับความนิยมในระบบจำหน่ายไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ ซึ่งค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่ต่ำนำไปสู่ต้นทุนพลังงานที่สูงขึ้นและอาจเกิดค่าปรับจากบริษัทสาธารณูปโภค การปรับค่ากำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟที่จ่ายให้กับโหลดทำให้ตัวแปลงไฟเหล่านี้สามารถลดการสูญเสียพลังงาน รักษาค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้ใกล้เคียงหนึ่ง และปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าโดยรวมได้

เครื่องจ่ายไฟสำรอง (UPS): ในกรณีที่ไฟฟ้าดับหรือไฟฟ้าดับ โหลดสำคัญๆ จะได้รับพลังงานอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอจากระบบจ่ายไฟสำรอง ซึ่งรวมถึงตัวแปลงไฟ AC/AC เป็นชิ้นส่วนสำคัญ ตัวแปลงไฟเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อน เช่น คอมพิวเตอร์ เซิร์ฟเวอร์ และอุปกรณ์ทางการแพทย์ ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในกรณีที่มีปัญหาด้านคุณภาพไฟฟ้า โดยการควบคุมแรงดันและความถี่ขาออก (RMS)

ระบบพลังงานหมุนเวียน: เพื่อผลิตไฟฟ้าจากแหล่งต่างๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานน้ำ ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/กระแสสลับก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวแปลงไฟฟ้าเหล่านี้ใช้เพื่อควบคุมแรงดันและความถี่ RMS ของพลังงานที่ผลิตได้ ช่วยให้สามารถผสานรวมเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือให้โหลดนำไปใช้งานโดยตรง