اینورتر

اینورتر چیست؟

بطور کلی اینورتر یک تجهیز الکتریکی است که ولتاژ مستقیم (DC) را به ولتاژ متناوب (AC) تبدیل می کند. برق DC اکثرا در ابزارهای کوچک استفاده می شود ولی برق AC در بیشتر تجهیزات خانگی و صنعتی کاربرد دارد. به همین خاطر است که به روشی برای تبدیل برق DC به AC نیاز داریم.

اینورتر یک مبدل است نه یک ژنراتور. این بدان معناست که برق تولید نمی کند و فقط نیروی الکتریکی را به اشکال مختلف تبدیل کند. برای اطلاع از لیست قیمت اینورتر با کارشناسان فروش در تماس باشید.

ساختار کلی انواع اینورترها

برای درک چگونگی کار اینورترها، ابتدا لازم است با ساختار کلی و وظیفه هر بخش از آن ها آشنا شویم. به طور کلی اینورتر ها از چهار بخش تشکیل شده اند:

•  یکسو ساز (Rectifier)
•  خازن ها (DC-Link)
•  اینورتر (Inverter)
•  واحد کنترل (CPU)

1) یکسو ساز (Rectifier)

اولین قسمت مدار اینورتر که در قسمت ورودی آن مورد استفاده قرار می گیرد، جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند. این فرآیند یکسوسازی نامیده می شود. از آنجا که جریان متناوب یک موج سینوسی است، جهت و اندازه موج به طور پیوسته در طول زمان تغییر می کند. بنابراین از یک دیود که یک وسیله نیمه هادی است استفاده می شود تا برق را در جهت رو به جلو برای تبدیل آن به جریان مستقیم عبور دهد.

2) خازن ها (DC-Link)

یکسوسازی تمام موج یک موج سینوسی را گرفته و نیم سیکل مثبت را از خود عبود می دهد و نیم سیکل منفی آن را هم به نیم سیکل مثبت تبدیل می کند، ولی همانطور که در شکل بالا مشخص است به خودی خود نمی تواند یک شکل موج صاف ایجاد کند و آثاری از جریان متناوب و نوسانات ولتاژ موج دار باقی می ماند. بنابراین، برای صاف کردن شکل موج، خازن ها هستند که پیوسته شارژ و دشارژ شده تا ریپل شکل موج را صاف و نزدیک به جریان مستقیم تغییر دهند.

3) اینورتر (Inverter)

بخش خروجی اینورتر ها که وظیفه برگرداندن ولتاژ DC به AC قابل تنظیم دارد، اینورتر یا معکوس کننده است. می توان گفت نام اینورتر هم از همین بخش گرفته شده است. این بخش توسط کلید های الکترونیکی سرعت بالا ساخته شده اند.

ترانزیستور های IGBT (Transistor Bipolar Bipolar Insulated Gate) یکی از این کلید های الکتریکی هستند که با روشن و خاموش شدن در فواصل زمانی مختلف، امواج پالسی با عرض های متفاوت ایجاد می کند. سپس این امواج پالسی را به کمک مدولاسیون عرض پالس (PWM) به موج شبه سینوسی تبدیل می کنند. با افزایش یا کاهش سرعت کلید زنی IGBT ها می توان یک ولتاژ AC با ولتاژ و فرکانس قابل تغییر تولید کرد.

4) واحد کنترل (CPU)

واحد کنترل همانطور که از اسمش مشخص است، وظیفه کنترل اینورتر و پردازش پارامتر های الکتریکی اینورتر را بر عهده دارد. به عنوان مثال سرعت کلید زنی IGBT ها از طریق واحد کنترل تغییر پیدا می کند.

مثالی برای درک بهتر نحوه کار اینورتر

برای درک نحوه کار اینورتر، یک لامپ را در نظر بگیرید که توسط یک باتری روشن می باشد. جریانی که به لامپ می رسد DC می باشد. لامپ دارای دو پایانه است که آن ها را "A" و "B" می نامیم. قطب مثبت و منفی باتری به ترتیب با ترمینال A و B متصل می شود. حالا پایانه های باتری را عوض کنید. لامپ نیز در این شرایط هم روشن می شود. با این حال، تفاوت در هر مورد چیست؟

در اینجا یک چیز متفاوت است و آن جهت جریان است. حال تصور کنید که می توانید باتری را با سرعت 50 یا 60 دور در دقیقه بچرخانید. چه اتفاقی خواهد افتاد؟ جهت جریان 50 یا 60 بار تغییر می کند. این قضیه شبیه به برق AC با فرکانس 50 یا 60 هرتز است.

این مثال فقط برای درک اصول کار یک اینورتر است. اما در عمل اینورتر هرگز اینطور کار نمی کند و قطعات چرخشی ندارد، بلکه از کلیدهای الکترونیک قدرت مانند IGBT استفاده می کند. تعداد کلید ها به نوع اینورتر بستگی دارد. در ادامه مدار یک اینورتر تک فاز تمام پل را برای درک نحوه عملکرد آن در نظر بگیریم.

چهار سوئیچ وجود دارد. یک منبع DC که به سوئیچ ها و بار متصل است. هنگامی که کلید S1 و S2 روشن، S3 و S4 خاموش هستند، جهت جریان عبوری از بار در این شرایط مثبت است. این یک نیم سیکل مثبت از خروجی AC می دهد. اکنون سوئیچ S3 و S4 روشن، S1 و S2 خاموش است. جریان در جهت مخالف، نیم سیکل منفی خروجی AC را می دهد. زمان روشن و خاموش سوئیچ ها، فرکانس خروجی را تعیین می کند. خروجی اینورتر یک موج مربعی است و فیلترهایی، برای تولید موج سینوسی استفاده می شوند.

دسته بندی اینورتر بر اساس نوع شکل موج 

انواع شکل موج اینورتر در سه نوع اینورتر وجود دارد.

1. اینورتر موج مربعی
2. اینورتر موج سینوسی اصلاح شده
3. اینورتر موج سینوسی

اینورتر موج مربعی

این نوع، کم کاربرد ترین اما ساده ترین و ارزان ترین نوع اینورتر است. شکل موج خروجی این اینورتر مربعی است. لوازم خانگی و بیشتر از همه تجهیزاتی که روی AC کار می کنند، برای موج سینوسی طراحی شده اند. این اینورتر سیگنال DC را به سیگنال AC تغییر فاز یافته تبدیل می کند. ولی خروجی یک سیگنال AC ایده آل نیست. اگر تجهیزات را با یک اینورتر موج مربعی وصل کنید، تلفات زیادی ایجاد می کند که ممکن است باعث آسیب زدن به آن ها شود. کاربرد این نوع از اینورترها تولید اینورترهای موج سینوسی با استفاده از فیلترها (مانند فیلترهای پایین گذر فعال) می باشد.

اینورتر موج سینوسی اصلاح شده

نام دیگر این اینورتر شبه موج است. سیگنال خروجی این اینورتر نزدیک تر به سیگنال سینوسی است. اما نمی تواند موج سینوسی صاف را ایجاد کند. یک اینورتر موج سینوسی اصلاح شده، قبل از تغییر فاز، مکث هایی ایجاد می کند. مانند موج مربعی مستقیماً فاز را از مثبت به منفی تغییر نمی دهد. ساختار این اینورتر از اینورتر موج مربعی پیچیدگی بیشتری دارد، اما از اینورتر موج سینوسی ساده تر است.

اینورتر موج سینوسی

این نوع کارآمدترین و پیچیده ترین نوع اینورتر می باشد. این موج سینوسی خالص را تولید می کند که شکل موج مشابهی از توان شبکه است. تمامی تجهیزات AC برای کار بر روی سیگنال موج سینوسی طراحی شده اند. یک موج سینوسی را می توان از اینورتر موج مربعی با تغییر شکل موج خروجی تولید کرد. این اینورتر کمترین تلفات را داشته است. اما هزینه این اینورتر بسیار بالاست. این نوع اینورترها به طور گسترده در مصارف مسکونی و تجاری استفاده می شود.

دسته بندی اینورتر بر اساس نوع بار

دو نوع برق AC وجود دارد. تک فاز و سه فاز. بنابراین، دو نوع بار وجود دارد. و بر اساس آن دو نوع اینورتر وجود دارد:

1. تک فاز
2. سه فاز

1- تک فاز

اگر بار تک فاز باشد، از اینورتری برای راه اندازی بار استفاده می شود که تک فاز است. دو نوع وجود دارد؛

1. اینورتر نیم پل
2. اینورتر تمام پل

اینورتر نیم پل تک فاز

دو تریستور (S1 و S2) با دو دیود فیدبک (D1 و D2) که در نمودار مدار زیر نشان داده شده است متصل شده اند. ولتاژ تغذیه به دو قسمت مساوی تقسیم می شود. برای درک اصل کار بار مقاومتی استفاده می شود.

حالت 1 : تریستور S1 در این حالت روشن و S2 خاموش است. مسیر جریان V/2-S1-B-RL-A-V/2 است.جریان عبوری از بار در جهت B به A است. و ولتاژ دو سوی بار مثبت V/2 است. در این حالت، چرخه مثبت خروجی ایجاد می شود.

حالت 2 : تریستور S2 در این حالت روشن و S1 خاموش است. مسیر جریان V/2-A-RL-B-S2-V/2 است. جریانی که از جهت بار A به B عبور می کند. ولتاژ دو سر بار منفی V/2 است. در این حالت، چرخه منفی خروجی ایجاد می شود.

اینورتر تک فاز تمام پل

در یک اینورتر تمام پل، از چهار تریستور و چهار دیود فیدبک استفاده می شود. یک منبع DC به مدار اعمال می شود. در یک اینورتر نیم پل، یک سوئیچ در یک زمان هدایت می شود ولی در یک اینورتر تمام پل، دو سوئیچ در یک زمان هدایت می کنند.

حالت 1 : تریستور S1 و S2 در این حالت روشن و تریستور S3 و S4 خاموش هستند. مسیر جریان فعلی V-S1-A-RL-B-S2-V است. جریان عبوری از بار از A به B است و نیم سیکل مثبت ایجاد می کند.

حالت 2 : تریستور S3 و S4 روشن و تریستور S1 و S2 خاموش هستند. مسیر جریان فعلی V-S3-B-RL-A-S4-V است. جریان عبوری از بار از B به A است و یک نیم سیکل منفی خروجی ایجاد می کند.

2- اینورتر سه فاز

به طور کلی منبع AC سه فاز در صنایع استفاده می شود و بار آن سه فاز است. در این حالت برای اجرای این بار از یک اینورتر سه فاز استفاده می شود. 

در یک اینورتر سه فاز از شش دیود و شش تریستور استفاده شده است. با توجه به زمان هدایت تریستور، این اینورتر به دو نوع تقسیم می شود:

1. حالت کارکرد 120 درجه
2. حالت کارکرد 180 درجه

حالت کارکرد 120 درجه

در یک زمان، دو تریستور در حال هدایت هستند. زمان هدایت برای همه تریستورها 120 درجه است. این بدان معناست که یک سوئیچ برای 120 درجه روشن و برای 240 درجه بعدی خاموش می ماند. شکل ولتاژ فاز یک موج شبه مربعی و شکل ولتاژ خط به صورت موج سه مرحله ای است.

حالت کارکرد 180 درجه

سه تریستور در یک زمان در حال هدایت هستند. زمان هدایت برای همه تریستورها 180 درجه است. شکل ولتاژ خط و ولتاژ فاز برخلاف حالت کارکرد 120 درجه است. در اینجا، برای ولتاژ فاز، شکل موج یک موج سه مرحله ای و برای ولتاژ خط، شکل موج یک موج شبه مربع است. در حالت کارکرد 180 درجه، دو تریستور پل مشترک به طور همزمان روشن و خاموش می شوند. به عنوان مثال، در نیم سیکل (180 درجه) S1 روشن و نیم چرخه بعدی S4 روشن است. بنابراین، در همان زمان، S1 در حال خاموش شدن و S4 در حال روشن شدن است. به دلیل این هدایت همزمان، این امکان وجود دارد که منبع ممکن است مدار را مرتب کند. این مشکل در حالت عملکرد 120 درجه رخ نخواهد داد.

دسته بندی اینورتر بر اساس کاربرد

اینورترها دامنه وسیعی از کاربری ها (از آداپتورهای خودرو گرفته تا کاربردهای خانگی یا اداری و سیستم‌های شبکه توضیع) را در بر میگیرد. برخی از کاربردهای اینورتر عبارتند از:

استفاده از منبع تغذیه DC

این نوع اینورترها با تولید الکترونیکی شکل موج AC از برق DC کار می کنند. AC به طور کلی توسط یک ژنراتور چرخشی ایجاد می شود که یک اینورتر برای شبیه سازی نیاز دارد. با تغییر سریع جهت ورودی DC بین مثبت و منفی، برق DC را به برق AC تبدیل می کند.

منابع تغذیه بدون وقفه

هنگام قطع شدن برق منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) از باتری ها و یک اینورتر برای تامین برق AC استفاده می کند. هنگامی که برق شبکه برمی گردد، باتری ها از طریق یک یکسو کننده برق DC را برای شارژ مجدد تامین می کند.

درایو فرکانس متغیر (VFD)

VFD مخفف Variable Frequency Drive است. همانطور که از نامش پیداست یک درایو فرکانس قابل تنظیم است که فرکانس منبع AC را تغییر می دهد. کاربرد VFD ها بیشتر در کنترل سرعت موتور های القایی است، زیرا سرعت آن ها به فرکانس تغذیه بستگی دارد. از این رو در اغلب درایوهای فرکانس متغیر از ساختار اینورتر طراحی شده برای تولید ولتاژ و فرکانس خروجی متغیر استفاده می شود. به عبارت دیگر VFD یک مبدل قدرت است که از مدارهای الکترونیکی برای تبدیل فرکانس و ولتاژ ثابت به فرکانس و ولتاژ متغیر استفاده می کند. حتی موتور با استفاده از VFD قادر است تا با فرکانس های بالاتر از سرعت نامی خود کار کند.

حالت های سوئیچینگ برای ولتاژهای مثبت، منفی و صفر مطابق الگوهای ارائه شده در جدول زیر ایجاد می شوند. پالس های گیت تولید شده مطابق با الگوی توسعه یافته به هر کلید داده می شود و بدین ترتیب خروجی به دست می آید.

اینورتر جوشکاری

یکی دیگر از کاربردهای اینورتر، استفاده آن در دستگاه های جوشکاری است. اینورتر جوشکاری دستگاه جوشکاری است که از قطعات الکترونیکی حالت جامد برای بهبود کارایی در تبدیل جریان الکتریکی استفاده می کند. اغلب دستگاه جوش های اینورتری سبک، قابل حمل هستند و در بعضی مدل ها، کوچکتر از جعبه ابزار شما هستند. اینورترهای جوشکاری با افزایش فرکانس ورودی برق از 50 هرتز به 20 تا 100 کیلو هرتز کار می کنند.

این جریان با فرکانس بالا به یک هسته ترانسفورماتور به شدت کوچکتر از جوشکارهای قدیمی مبتنی بر ترانسفورماتور نیاز دارد. فناوری قدیمی، ترانسفورماتور را طوری اندازه می‌داد که از فرکانس AC استاندارد 50-60 هرتز در دسترس از برق شهری استفاده کند. از آنجایی که جوشکارهای مبتنی بر اینورتر از کلیدهای الکترونیکی استفاده می کنند که برق را تا 1 میلیون بار در ثانیه روشن و خاموش می کنند، این فناوری به اینورتر این اجازه را می دهد که فرکانس AC را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

بنابراین، با استفاده از فرکانس بالاتر، دستگاه جوش های مبتنی بر اینورتر، به هسته بسیار سریعتر، (100000 بار در ثانیه به جای 60 بار در ثانیه) تحریک می‌کند. این قضیه اجازه می دهد تا یک هسته کوچکتر بدون افت توان خروجی داشته باشید و جوشکارهای اینورتر را بسیار کارآمدتر می کند.

در کمپرسورهای برودتی (کولرهای گازی)

کمپرسور قسمتی از ابزار برودتی است که مبرد را از گاز به مایع تبدیل می کند. با توجه به دمای مبرد کار می کند: هنگامی که نیاز به سرد شدن دارد با سرعت کامل کار می کند و زمانی که دما به اندازه کافی پایین است کاملا متوقف می شود. اما کمپرسور دارای اینورتر به آرامی شروع به کار می کند، سپس سرعت آن را افزایش می دهد و با رسیدن به دمای مورد نظر، دوباره آن را به اندازه ای کاهش می دهد که دما را حفظ کند.

روش های تنظیم تبرید سنتی از کمپرسورهای تک سرعته استفاده می کنند که پیاپی روشن و خاموش می شوند. سیستم های مجهز به اینورتر دارای یک درایو فرکانس متغیر (VFD) هستند که سرعت موتور و در نتیجه خروجی کمپرسور و مبرد را کنترل می کند. کمپرسور را می‌توان با سرعت‌های متغیر کار کرد از طرفی حذف چرخه‌های stop-start کمپرسور باعث افزایش بازدهی می‌شود. یک میکروکنترلر معمولا دمای فضایی که قرار است خنک شود را کنترل کرده و سرعت کمپرسور را برای حفظ دمای مورد نظر تنظیم می کند. اولین کولر گازی اینورتر توسط توشیبا در سال 1981 در ژاپن عرضه شد.

در شبکه برق

یک اینورتر اتصال به شبکه، جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) مناسب برای تزریق به شبکه برق تبدیل می‌کند، معمولاً 120 ولت RMS در 60 هرتز یا 240 ولت RMS در 50 هرتز. اینورترهای شبکه ای بین ژنراتورهای برق محلی استفاده می شود: پنل خورشیدی، توربین بادی، برق آبی و شبکه.

برای تزریق کارآمد و ایمن برق به شبکه، اینورترهای متصل به شبکه باید دقیقاً با ولتاژ، فرکانس و فاز شکل موج سینوسی شبکه AC مطابقت داشته باشند.

پنل های خورشیدی

اینورتر خورشیدی یا اینورتر فتوولتائیک (PV) نوعی اینورتر قدرت است که جریان مستقیم (DC) خروجی یک پنل خورشیدی فتوولتائیک را به یک جریان متناوب فرکانس شهری (AC) تبدیل می‌کند که می‌تواند به یک شبکه برق تجاری تغذیه یا توسط یک شبکه الکتریکی محلی، خارج از شبکه استفاده شود. اینورترهای انرژی خورشیدی دارای عملکردهای ویژه ای هستند که برای استفاده با آرایه های فتوولتائیک سازگار شده اند، از جمله ردیابی نقطه حداکثر توان و محافظت در برابر ضد جزیره ای.

انتقال برق HVDC

اینورتر برق مورد استفاده در شبکه سیستم قدرت برای تبدیل برق DC عمده به برق AC. یعنی در انتهای دریافت خطوط انتقال HVDC استفاده می شود. این اینورتر به عنوان یک اینورتر grid-tie شناخته می شود. برای انتقال برق HVDC، برق AC اصلاح می شود و برق DC ولتاژ بالا به مکان دیگری منتقل می شود. پس از آن در محل دریافت، یک اینورتر در یک نیروگاه اینورتر استاتیک، برق را به AC تبدیل می کند. باید توجه داشت که اینورتر باید با فرکانس و فاز شبکه هماهنگ شده و تولید هارمونیک را به حداقل برساند.