مدیریت سایت حتی اگر شما یک فرد اهل کارهای فنی مربوط به برق و صنعت نباشید، حداقل در طول یک سفر تفریحی تابستانه، این احساس را تجربه کرده اید که چقدر خوب می شد اگر دستگاهی بود که بتوانم به کمک آن در دل جنگل و صحرا تلویزیون تماشا و یا لپ تاپم را شارژ کنم. در واقع، این یک مثال کوچک از نیاز بشر امروز به اینورترها که در انواع و سایزهای مختلف موجود هستند، می باشد. پس با سنا برق توان، بزرگترین تولید کننده اینورتر داخل کشور همراه باشید تا بیشتر با طرز کار اینورتر آشنا شوید.
اینورتر چیست و چه کار می کند؟
در ابتدای مقاله طرز کار اینورتر به شما این دستگاه را به طور کامل معرفی می کنیم؛ فقط لازم است بدانید که انواع برندهای معتبر اینورتر در بازار موجود می باشد و ما در اینجا یک طرز کار کلی را برای شما نوشته ایم. اینورتر ها و یا مبدل‌های الکتریکی، توانایی تغییر فرکانس یا سطح ولتاژ برق وروردی را دارند و به کمک آنها می توان برق با کیفیت مناسب جهت شارژ دستگاه‌های الکتریکی را تامین کرد. برق تولیدی حاصل از سلول های خورشیدی، توربین های بادی و یا سایر انرژی های نو، به وسیله اینورترها آماده مصرف و بهره برداری می شوند که با توجه به رویکرد دولت ها، اهمیت آنها بیش از پیش شده است. به طور کلی اینورتر ها را می توان به دو دسته کلی زیر تقسیم کرد:
اینورتر متصل به شبکه ( Grid-tie inverters)
اینورتر جدا از شبکه (Off-grid inverters)
همان طور که از نام گروه اول مشخص است، اینورترهای متصل به شبکه، توانایی اتصال به برق شهری یا شبکه قدرت را دارند و معمولا به منظور مدیریت مصرف انرژی استفاده می شوند. همین طور این دستگاه ها به منظور برق پشتیبان در منازل و ادارات استفاده می شود که در این صورت قطعا همراه با پک باتری می باشند.
طرز کار اینورتر
نوع جدا شبکه نیز برای مصارفی همچون سلول های خورشیدی که قرار نیست به شبکه متصل شوند استفاده می شوند و به منظور تامین برق به صورت شخصی استفاده می شوند. معمولا اینورترهای متصل به شبکه، به شبب قابلیت ها و سیستم های حفاظتی ای که دارند، گرانتر می باشند. بنابراین در این مقاله به بررسی نحوه عملکرد اینورترها خواهیم پرداخت. اینورترها به طور کلی از اجزای اصلی زیر تشکیل شده اند:
اسیلاتور
مدار کنترلی
مدار درایو قطعات الکترونیک قدرت
کلیدهای قدرت فرکانس بالا
ترانسفرمر
مقاله مرتبط: تفاوت اینورتر و درایو
طرز کار اینورتر
به بخش اصلی مقاله یعنی نحوه کار اینورتر رسیدیم. اینورتر با دریافت انرژی الکتریکی از یک پک باتری و یا خازن های لینک دی سی، برق دی سی را به برق متناوب با فرکانس و سطح ولتاژ مشخص تبدیل می کند. این عمل به وسیله خاموش و روشن شدن پیوسته کلیدهای قدرت انجام می شود. در واقع سمت اولیه ترانسفرمر به کار رفته در دستگاه اینورتر به وسیله پالس های الکتریکی که این پالس ها نیز به وسیله روشن و خاموش شدن ماسفت ها و یا ای جی بی تی ها و یا سایر کلیدهای الکترونیک قدرت تولید می شوند، شارژ می شود.
این پالس های متناوب باعث ایجاد یک شارپیوندی متناوب بین سیم پیچ های سمت اولیه و ثانویه ترانسفرمر می شوند. لازم به ذکر است که اگر اینورتر موتور مورد نظر به صورت افزاینده مدنظر است، در این قسمت با توجه به ولتاژ مورد نیاز، نسبت تعداد دور سمت اولیه و ثانویه ترانسفرمر تعیین می شود.
در ادامه شار پیوندی تولید شده، ولتاژ متناوب در سمت ثانویه ترانسفرمر القا می کند و نهایتا پس از شبکه جبرانساز، ولتاژ به ترمینال های خروجی تحویل داده می شود. اما روند توضیح داده شده، پروسه کلی تولید ولتاژ با فرکانس مطلوب در اینورترهای تک فاز و اینورتر سه فاز بود و بسته به نوع کاربرد اینورترها می توانند ساختار متفاوتی داشته باشند. به منظور تحویل توان با ویژگی های مدنظر جهت شارژ یک دستگاه و یا چرخش روتور یک موتور الکتریکی، اینورترها معمولا از کنترل پهنای پالس (Pulse Width Modulation) استفاده می کنند که در ادامه به بررسی آن پرداخته می شود.
کنترل به روش PWM
در واقع برای کنترل به روش PWM به دو موج کنترلی نیاز داریم؛ یکی موج کنترلی که با توجه به فیدبکی از خروجی می گیریم این موج تولید می شود و دومی موج حامل (carrier) می باشد. با مقایسه ی این دو موج، یک موج مربعی تولید می شود که با توجه به سیگنال فیدبک، هارمونیک اصلی موج تولید شده (به وسیله کلید زنی ماسفت ها و یا IGBT ها) معمولا سینوسی می باشد.
اینورتر چگونه کار می کند
همانطور که از شکل فوق مشاهده می شود، موج مثلثی موج حامل می باشد که فرکانس این موج، فرکانس روشن و خاموش شدن کلید ها را نشان می دهد، و هرچه بیشتر باشد طبیعتا تلفات کلیدها بیشتر می شود اما در مقابل، هارمونیک موج خروجی کمتر می شود.
همچنین، سه موج سینوسی نشان داده شده، موج های کنترلی هستند که به وسیله سیستم کنترلی دستگاه اینورتر تولید می شوند و فرکانس آنها، فرکانس هامونیک اصلی موج خروجی را تعیین می کند. اگر ساختار اینورتر را به صورت زیر در نظر بگیریم، کلید زنی بدین صورت خواهد بود که هر جا موج کنترلی مربوط به فاز A از موج حامل (carrier) بیشتر شود، کلید TA+ روشن می شود و هرجا موج کنترلی مربوط به فاز B از موج حامل (carrier) بیشتر شود، کلید TB+ روشن می شود و به همین صورت برای فاز سوم این اتفاق می افتد که در نتیجه ی آن یک موج مربعی به شکل زیر تولید می شود:
طرز کار اینورتر چگونه است؟
اینورتر چگونه کار می کند؟
حال با توجه به شکل زیر عملکرد یک اینورتر صنعتی ایرانی را برای یک توربین بادی را در نظر می گیریم:
نحوه کار اینورتر
با توجه به سیگنال مرجع Vdc که به کنترل کننده داده می شود، اینورتر سعی بر تثبیت ولتاژ خازن صافی ورودی خودش را دارد و از طرفی دیگر با چرخش محور توربین، خازن C1 شارژ می شود و اینورتر به منظور ثابت نگه داشتن ولتاژ ورودی خود، توان دریافتی را به شبکه انتقال می دهد؛ در مورد فرکانس اینورتر نیز در بالا توضیحاتی داده شده است.
در واقع با چرخش توربین به وسیله باد، انرژی مکانیکی تحویل ژنراتور داده می شود که ژنراتور یک ولتاژ سه فاز سینوسی به یکسوساز تحویل می دهد. مبدل بوستی که بین اینورتر و ژنراتور قرار داده شده است به منظور دنبال کردن نقطه حداکثر توان می باشد.
به عبارت دیگر، با توجه به اینکه سرعت باد ثابت نیست، مبدل بوست با توجه به سرعت مرجع+ Ω وظیفه دنبال کردن نقطه کاری می باشد که بتوان حداکثر توان را دریافت کرد. مثال ذکر شده به منظور توضیح نقش اینورتر در یک سیستم صنعتی بود و اینورترها بسته به نوع کاربرد ساختارهای متفاوتی خواهند داشت و در بالا در مورد طرز کار اینورتر پل کامل توضیح داده شد، اما اینورترها توپولوژی های متفاوتی دارند.
به عنوان مثال اینوترها منبع امپدانسی نوع دیگری از اینورتر ها می باشند که با استفاده از این نوع اینورترها دیگر به مبدل بوستی که در شکل بالا نشان داده شد، نمی باشد و اینورتر به تنهایی قابلیت تنظیم ولتاژ را خواهد داشت اما در مقابل باید به این نکته توجه کرد که اینورترهای منبع امپدانسی معمولا محدودیت فرکانس دارند که می توان به عنوان یک ویژگی منفی یاد کرد.
طرز کار اینورتر سه فاز
اصول کار اینورتر سه فاز به این شکل است که این اینورتر، سه کلید اینورتر تک فاز دارد که هر سوییچ می‌تواند به ترمینال بار متصل گردد. در سیستم کنترل پایه، می‌توان عملکرد سه سوییچ همگام شود به‌این‌ترتیب هر سوییچ روی 60درجه شکل موج o/p پایه کار می‌کند تا یک شکل موج o/p خط به خط که شامل شش مرحله است کار می‌کند. این شکل موج یک مرحله ولتاژ صفر بین دو بخش مثبت و منفی موج مربعی دارد. وقتی تکنیک‌های PWM بر اساس حامل روی این شکل موج‌ها اعمال شود، می‌توان شکل اصلی موج را به‌گونه‌ای گرفت که هارمونیک سوم لغو شود.
مهم‌ترین قابلیت این نوع اینورتر تبدیل ورودی جریان DC به خروجی سه فاز AC است. هر اینورتر سه فاز پایه دارای سه سوییچ اینورتر تک فاز است. هر سوییچ می‌تواند به‌صورت هم‌زمان به سه ترمینال بار متصل کرد. در حالت عادی سه بازوی این اینورتر برای ایجاد ذخیره AC سه فاز، از زاویه 120 درجه تأخیر دارند.
نرخ سوییچ بکار رفته در اینورتر 50درصد است و سوییچینگ بعد از زاویه 60درجه انجام می‌شود. سوییچ‌ها مثلاً S1، S2، S3، S4، S5 و S56 یکدیگر را کامل می‌کنند. بنابراین اینورترهای سه فاز با یک فیوز در منبع DC مشابه قرار داده می‌شوند. ولتاژ قطب اینورتر سه فاز برابر با ولتاژ قطب داخل اینورتر نیم فاز با تک فاز است.
نحوه کار اینورتر
اینورتر سه فاز دو حالت هدایتی 180 و 120 درجه دارند. در مود 120درجه، سوییچ به اندازه 120درجه روشن و 240 درجه خاموش خواهد بود. در اینورتر 180 درجه در هرلحظه همه سه مدار در حال هدایت‌اند و مدت‌زمان هدایت هر مدار به اندازه 180درجه است. در هرلحظه که یکی از مدارها خاموش می‌شود مدار دیگری روشن می‌گردد. به‌همین‌دلیل در آن با خطر اتصال کوتاه مواجه هستیم که در حالت 120درجه وجود ندارد چراکه در حالت 120 درجه به اندازه 60 درجه هدایت نداریم.
کاربرد اینورتر
همانطور که گفتیم اینورتر دستگاهی است که جریان مستقیم را به متناوب تبدیل می‌کند. آنها در طیف بزرگی از ابزارهای کاربردی به کار می‌روند. می‌توان گفت آنها نوسان‌سازهای الکتریکی باقدرت بالا هستند. با کمک اینورترها می‌توان سرعت موتور AC سه فاز را بدون کاهش قدرت و گشتاور موتور کنترل کرد. آنها در ظرفیت‌های مختلفی موجود هستند. ورودی اینورترها می‌تواند تک‌فاز یا سه‌فاز باشد اما خروجی آنها همیشه سه‌فاز است.
تمامی دستگاه‌هایی که موتور الکتریکی دارند می‌توانند با استفاده از اینورتر کنترل شوند. به‌این‌ترتیب می‌بینیم کاربرد اینورتر بسیار متنوع است اما در ادامه به برخی از مهم‌ترین آنها اشاره می‌کند. در بسیاری از ساختمان‌های بلند از این پمپ‌ها برای رساندن آب به طبقات بالا استفاده می‌شود. اینورتر موجب تنظیم سرعت گردش پمپ می‌گردد تا فشار در همه طبقات به‌صورت یکسان باشد و همه طبقات به آب دسترسی داشته باشند. در کشاورزی نیز برای انتقال آب در مسافت‌های طولانی از اینورتر استفاده می‌شود.
یکی از کاربردهای صنعتی مهم اینورترها، سانتریفیوژهاست. سانتریفیوژها موتورهایی با دور بالا هستند که در اثر چرخش آنها ذرات از هم جدا می‌شوند. اینورتر باعث ثابت ماندن سرعت حرکت و یکنواختی آن می‌شود.
از کاربردهای ملموس‌تر اینورتر می‌توان به لوازم‌خانگی اشاره کرد. بسیاری از لوازم‌خانگی مثل یخچال، لباسشویی و ظرف‌شویی با موتور الکتریکی کار می‌کنند. در یخچال، عملکرد یخچال با توجه به میزان بار درون یخچال تنظیم می‌شود و درباره لباسشویی نیز دور موتور را تنظیم می‌کند. مهم‌ترین حوزه‌های به‌کارگیری اینورتر در موارد زیر است:
کاهش مصرف انرژی
اینورتر با کنترل و بهینه‌سازی حرکت موتور الکتریکی باعث کاهش مصرف انرژی می‌شود. با توجه به اینکه درحال‌حاضر حدود 65 درصد میزان مصرف انرژی در صنایع مربوط به موتورهای الکتریکی است، استفاده از اینورتر بخصوص در فن‌ها و پمپ‌ها که پرمصرف هستند می‌تواند بهبود قابل‌توجهی ایجاد کند.
افزایش طول عمر موتور و تجهیزات
اینورتر فرکانس و ولتاژ موتور را کنترل می‌کند. به‌همین‌دلیل از آن در برابر آسیب‌هایی مثل پایین و بالا شدن ناگهانی ولتاژ محافظت می‌کند. به‌این‌ترتیب، شوک‌های زمان شروع بکار موتور از بین می‌رود، سرعت حرکت موتور همیشه در حالت بهینه می‌ماند و عمر آن بیشتر می‌شود.
ویژگی های اینورتر
برنامه‌ریزی فعالیت موتور
وقتی جریان خیلی زیاد یا کم می‌شود موتور الکتریکی خاموش می‌شود اما باوجود اینورتر این اتفاق نمی‌افتد. اینورتر جریان را در کنترل خود درمی‌آورد.
کیفیت روند کار و تولید
این یکی از مهم‌ترین کاربردهای اینورتر است. شوک‌های الکتریکی هنگام به‌کاراندازی سیستم که تا چند برابر توان اسمی آن می‌رسند می‌توانند آسیب‌های جدی به موتور وارد کنند و باعث کوتاه شدن عمر آن شوند. به‌همین‌دلیل اینورترها با از بین بردن این شوک‌های الکتریکی روند کار سیستم را بهبود می‌بخشند.
تفاوت‌های طرز کار درایو و اینورتر
بااینکه اینورتر و درایو، غالباً یکسان در نظر گرفته می‌شود اما آنها در حقیقت تفاوت دارند. اینورتر جزئی از درایو الکتریکی است. اینورترها برق شهری را می‌گیرند و ولتاژ و فرکانس آن را تغییر می‌دهند. البته کاربرد آنها متفاوت است مثلاً اینورترهایی که در پنل‌های خورشیدی بکار می‌روند می‌بایستی جریان خروجی کم اعوجاجی تولید کنند ولی وظیفه اصلی اینورترهایی که در آسانسور استفاده می‌شوند، کنترل سرعت و گشتاور موتور الکتریکی است.
درایو برای کنترل موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود. درایوها باعث می‌شوند موتورهای الکتریکی به‌صورت نرم و آرام شروع به کار کنند. همچنین سرعت گشتاور آنها را تنظیم کرده و باعث صرفه‌جویی در جریان اسمی و مصرف انرژی موتور الکتریکی می‌شوند. بااین‌حال اینورترها دستگاه‌هایی هستند که جریان مستقیم DC را به AC تبدیل می‌کنند.
در اینورترها تنها می‌توانیم ولتاژ و توان خروجی را مشخص کنیم اما در درایوهای صنعتی، ولتاژ، فرکانس و توان ورودی و خروجی دستگاه قابل تنظیم کردن است. اینورتر تنها جریان را از جریان مستقیم به متناوب تبدیل می‌کند اما درایو صنعتی، با استفاده از این جریان معکوس شده، دور موتور و گشتاور آن را کنترل می‌نماید. ازنظر ساختار فیزیکی نیز اینورترها قطعه متحرکی ندارند اما درایوها در داخل خود قطعات متحرک زیادی دارند.
یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های اینورتر و درایو در مورد جریان برق آن‌هاست. اینورترها تنها جریان را معکوس می‌کنند یعنی جریان مستقیم به متناوب تبدیل می‌شود اما درایوها با استفاده از مدار یکسوساز خود، جریان را یکسو می‌کنند. سپس ولتاژ DC تولید می‌کنند. این ولتاژ مستقیم، با توجه به نیاز موتور برای کنترل دور موتور و گشتاور آن، به ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ موردنیاز تبدیل می‌شود.