اینورتر چیست؟

[Murtaza]

اینورتر و درایو

به کرات دیده‌ می‌شود که اینورتر را با درایو یکی‌ می‌دانند در حالی که به هیج وجه به این شکل نیست و این دو دستگاه کاملا مجزا‌ می‌باشند.اینورتر‌ می‌تواند قسمتی از یک درایو را تشکیل دهد و در حالات بسیار محدودی از یک اینورتر جهت درایو یا راه انداز موتور الکتریکی استفاده‌ می‌شود ولی متاسفانه برخی از افراد بازار به دلیل نداشتن دانش کافی این دو را یکی‌ می‌دانند.

چرا اینورتر قسمتی از درایو‌ می‌باشد؟

مطبوع ساز هوا

در دستگاهای هوشمند امروزی نظیر مطبوع سازهای هوا (Air conditioner) راه اندازهای موتور الکتریکی یا همان “Drive”ها بسیار توانمند شده‌اند و به گونه‌ای عمل‌ می‌کنند که مصرف برق در کولرهای گازی (مطبوع سازها، این دستگاه‌ها باد گرم نیز تولید‌ می‌کنند) به شکل چشمگیری کاهش یافته است، اگر نگاهی دقیق به درایو یک مطبوع ساز بیاندازیم متوجه خواهیم شد که علاوه بر اینورتر درون آن یک کانورتر (Converter) نیز قرار دارد.اینورتر برق DC را به برق AC با فرکانس مشخص تبدیل‌ می‌کند و کانورتر برق AC را به برق DC تبدیل‌ می‌کند.

تمام کاری که این دستگاه‌ها‌ می‌کنند بهینه سازی جریان اولیه موتور‌ می‌باشد، همه‌ی ما‌ می‌دانیم که موتورهای الکتریکی در هنگام استارت جریانی تقریبا 8 برابر مقدار نامی خود را از منبع‌ می‌کشند و همین عامل سبب افزایش هزینه برق این دستگاه‌ها‌ می‌شود.

راه اندازی موتور الکتریکی

راه‌های استارت موتور به گونه‌ای که جریان کمتری از منبع تغذیه کشیده شود عبارتند از؛

راه اندازی مستقیم

اتصال ستاره – مثلث (مختص موتور سه فاز)

راه اندازی با سیم پیچ متغیر

تغییر مقاومت سیم پیچ

راه اندازی با سافت استارتر

تغییر ولتاژ اعمالی به موتور

تغییر فرکانس و ولتاژ اعمالی به موتور

قبل از ظهور اینورتر‌ها از روش‌های تغییر ولتاژ و فرکانس استفاده نمی شد و این درحالی بود که بهترین روش از میان روش‌های فوق، تغییر فرکانس ورودی منبع‌ می‌باشد چرا که با تغییر فرکانس می‌توانستیم سرعت موتور را کنترل نماییم؛ علت این مسئله این بود که امکان تغییر فرکانس برق منبع به شدت مشکل می‌بود. برای مثال یکی از روش‌های ناکارآمد که گاهی مجبور به استفاده از آن‌ می‌بودیم تولید مجدد برق‌ می‌بود!.

این دنیای تیره با ظهور الکترونیک قدرت به یکباره روشن گردید. به همین دلیل حضور الکترونیک قدرت را در گرایش قدرت یک انقلاب‌ می‌دادند.در حال حاضر با استفاده از اینورتر به راحتی‌ می‌توان با تحویل برق DC به آن به برق AC با فرکانس مدنظر دست یافت.

در دستگاه‌های مطبوع ساز با توجه به اینکه برق تمامی واحدهای مسکونی AC‌ می‌باشد ابتدا با استفاده از یک کِنوِرتر آن را از حالت AC به DC تبدیل کرده و سپس با استفاده از Inverter آن را از DC به AC با فرکانس مشخص تبدیل‌ می‌کنند به این صورت‌ می‌توانیم موتور کولر منزلمان را با فرکانس 1Hz نیز استارت کنیم و به جای داشتن جریانی 8 برابر جریان نامی حتی با جریانی به مراتب کمتر (1/8) از جریان اسمی، موتور را استارت نماییم و اندک اندک آن را به جریان نامی برسانیم.این روش از استارت به اندازه‌ای بهینه‌ می‌باشد که شاید هیچ گاه تصور آن هم نمی رفت. البته فرآیند کاری به این آسانی نیز نیست چرا که در این میان صرفا فرکانس تغییر نمی کند بلکه نسبت فرکانس به ولتاژ مدنظر است.  با این حال به شکلی واضح مشخص شد که اینورتر در اکثر کاربردها‌ می‌تواند بخشی از یک درایو باشد و به ندرت پیش‌ می‌آید درایو و اینورتر یکی باشند.

تاثیرات اینورتر

تاثیر اینورتر را‌ می‌توان بروی دو مقوله مجزا؛ تولید و مصرف بررسی نمود که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت؛

تولید انرژی

در حال حاضر اینورترها یکی از کلیدی ترین عناصر تشکیل دهنده یک سیستم تولید انرژی تجدیدپذیر به حساب‌ می‌آیند هرچند که متاسفانه اکثر افراد از این واقعیت آگاه نیستند و بیشتر تمرکز خود را بروی پنل‌های خورشیدی قرار‌ داده اند.

جایگاه اینورتر در چرخه تولید برق با استفاده از سلول های خورشیدی:از آنجایی که بیشتر منازل و ادارات از برق AC متناوب – فرکانس غیر صفر استفاده‌ می‌کنند به همین دلیل نیاز است تا برق تولیدی توسط پنل‌های خورشیدی که قطعا DC جریان مستقیم – فرکانس صفر‌ می‌باشد به یک برق شهری AC با فرکانس مناسب 50 هرتز تبدیل گردد.  با توجه به موارد یاد شده عملا تولید برق AC در هنگام استفاده از پنل‌های خورشیدی بدون بهره گیری از اینورتر‌ها امکان پذیر نمی باشد.  تا قبل از ظهور ادوات مبدل الکترونیک قدرت، پنل‌های خورشیدی تنها برای ما یک منبع تولید توان DC به شمار‌ می‌رفتند و از آنجایی که مصرف توان DC بسیار نادر است عملا تولیدی هم به این شیوه صورت نمی گرفت.

در یک نیروگاه خورشیدی خانگی، برق تولیدی توسط پنل‌های خورشیدی توسط یک رگولاتور ولتاژ، از دید سطح ولتاژ، مناسب سازی شده و به باتری‌های ذخیره کننده تحویل داده‌ می‌شود، سپس خروجی باتری‌ها به یک اینورتر جهت تبدیل به برق AC جهت مصرف خانگی انتقال داده‌ می‌شود،

اینورترهای‌ می‌توانند به شکل‌های گوناگونی در یک شبکه خورشیدی نقش بازی کنند، برخی از آنها تنها یک مبدل DC به AC‌ می‌باشند، برخی دیگر به شما رنج متفاوتی از توان الکتریکی خروجی را با توجه به بار مدنظر تحویل‌ می‌دهند، برخی نیز تمرکزشان بروی شکل موج‌های متفاوت (سینوسی خام (مشکل ترین حالت) تا شکل موج مربعی)‌ می‌باشند و درنهایت برخی دیگر نیز برای اتصال برق تولیدی به شبکه برق طراحی شده اند.

در نیروگاه‌های بادی برق تولیدی با اینکه AC‌ می‌باشد دارای فرکانس متغیر ناکارآمدی‌ می‌باشد، در این حین نیز ابتدا با استفاده از کِنوِرتر به یک برق DC تبدیل شده و در ادامه با بهره گیری از اینورتر برق DC به برق AC با فرکانس‌های 50 و 60 هرتز تبدیل‌ می‌گردد.

مبدل‌های AC به AC نیز موجود است که‌ می‌تواند مستقیما ولتاژ و فرکانس را تحت تاثیر قرار دهد، با این حال به دلیل محدودیت‌های توانی آنها و بعضا مشکلات تئوری، به ندرت تجاری سازی شده اند.

با توجه به مسائل طرح شده‌ می‌توان ظهور الکترونیک قدرت و زیرمجموعه‌های آن، بخصوص اینورتر را تحولی در بخش تولید به ویژه در زمینه انرژی‌های پاک دانست که بی شک بدون حضور آنها استفاده از چنین منابعی عملا بسیار سخت امکان پذیر‌ می‌بود.

مصرف انرژی

در این بخش به صورت ویژه تاثیر اینورتر در درایو مشاهده‌ می‌شود، احتمالا اولین نکته‌ای که به ذهنتان‌ می‌رسد کاهش جریان‌های راه اندازی می‌باشد که بزرگترین ویژگی اینورتر نیز قلمداد می گردد. این مسئله (کاهش جریان استارت موتور) در موتورهای توان بالا به قدری مهم‌ می‌باشد که‌ می‌تواند تاثیر ملی بروی برق مصرفی داشته باشد.

حضور درایو در صنعت باعث افزایش استفاده از ماشین‌های AC نیز گردید چرا که این ماشین‌ها (AC) به صورت کلی بیشتر مورد پسند صنعت‌ می‌باشند ولی به دلیل مشکل بودن کنترل سرعت آنها، همواره ماشین‌هایDC به دلیل راحتی کنترل سرعت جایگزین آنها‌ می‌شدند. با اینکه در چندسال اخیر الکترونیک قدرت به شدت پیشرفت کرده و عملا درایوهای AC کارآمد هستند ولی همچنان در استفاده از آنها بیشتر دقت‌ می‌شود چرا که بسیار گران‌تر از درایو‌های DC‌ می‌باشند.

تاریخچه اینورتر

David Prince احتمالا نخستین کسی است که واژه علمی “اینورتر” را مطرح کرد، البته در این میان ممکن است کسان دیگری نیز باشند که از آنها اطلاعاتی در دست نیست، با این حال David Prince در سال 1925 (1304 ه.ش) یک مقاله با عنوان “The Inverter” در GE Review چاپ کرده است که‌ می‌تواند مرجع مناسبی برای ادعای ما باشد.

اینورتر – پرنده آبی

نخستین اینورتر در واقع یک موتور ژنراتور بود که در طول جنگ جهانی دوم از آن استفاده‌ می‌شده است، شرکت Redi-line مسئول تولید این مدل از اینورترها بود که خوشبختانه این شرکت همچنان نیز‌ در این حوزه در حال فعالیت می‌باشد. یکی از موارد عجیب در این دستگاه که به آن “پرنده آبی” گفته‌ می‌شد نیاز به جریان استارت در حدود 30 آمپر‌ می‌بود. درنهایت در سال‌های 1950 تا 1960 (ظهور ترانزیستورهای جامد) شرکت Tripp Lite واقع در شیکاگو توانست نخستین اینورتر از نوع الکترونیک قدرت را تجاری سازی نماید، البته کارایی این اینورتر آنچنان هم قابل دفاع نبود چرا که در بهترین حالت‌ می‌توانست برق DC ورودی را به یک موج مربعی تبدیل نماید.

با گذشت زمان اندک اندک خروجی‌های اینورتر بیشتر به سمت شکل موج سینوسی میل کرد و در این میان شاهد ظهور UPS (Uninterruptible power supply) نیز‌ می‌بودیم چرا که از این پس‌ می‌توانستیم به محض قطع برق از منابع DC (باتری‌های ذخیره کننده) و یک اینورتر استفاده کرده و سبب راه اندازی مجدد شبکه برق AC باشیم.

 

انواع مبدل توان در الکترونیک قدرت

مبدل DC به DC

مبدل AC به DC

مبدل DC به AC

مبدل AC به AC

 

اینوِرتِر یا مبدل جریان مستقیم به متناوب، به دستگاهی گفته می‌شود که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کند. فرکانس، ولتاژ و توان تولیدی اینورتر می‌توانند به مقادیر دلخواه تنظیم شوند. در ساده‌ترین حالت، خروجی اینورترها یک موج مربعی است که می‌توان با استفاده از فیلتر آن را به موج سینوسی تبدیل کرد. در حالت پیشرفته و بهینه‌تر، خروجی اینورتر به‌صورت شکل موج PWM است. اینورترها می‌توانند تک‌فاز یا سه‌فاز باشند. در واقع، کار این مبدل‌ها برعکس کار یکسوکننده‌ها است.

VFD یا Variable Frequency Drive (راه انداز با فرکانس متغیر) یک “درایو” محسوب‌ می‌شد که مهمترین ویژگی آن (تولید فرکانس متغیر) توسط یک اینورتر صورت‌ می‌پذیرد به همین دلیل در بازار فروش به آن اینورتر VFD نیز اطلاق‌ می‌شود. اینورترها قطعات متحرک ندارند و در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند. مثلاً از اینورترها برای تأمین جریان AC از منابع DC مانند پنل‌های خورشیدی یا باتری استفاده می‌گردد. بدون اینورترها، تحقق خودروهای برقی (Electric Cars) امروزی غیرممکن می‌بود.

اینورتر توان بالا – 1200 وات

دلیل نام‌گذاری اینورتر (معکوس‌گر)، این است که این دستگاه عمل عکس مبدل متداول برق AC به DC را انجام می‌دهد.

از نظر ورودی، اینورترها به دو دسته تک‌فاز و سه‌فاز تقسیم می‌شوند، هرچند که خروجی همه آن‌ها سه‌فاز است. برای اینورترهای با توان بالای ۳ اسب بخار (2292 وات) فقط از ورودی سه‌فاز استفاده می‌گردد.

کاربردها و ویژگی‌ها

از آنجایی که اینورتر به تنهایی در تجهیزات استفاده نمی شود و در اکثر مواقع به عنوان بخشی از یک درایو ایفای نقش‌ می‌کند، اغلب ویژگی هایی که برای آن برشمرده‌ می‌شود نیز با ویژگی‌های یک درایو یکسان‌ می‌باشد، در ادامه در ابتدا ویژگی های منحصر به فرد یک اینورتر و پس از آن ویژگی‌های مشترک آن با درایو برشمرده خواهد شد؛

سیستم منابع تغذیه قطع نشدنی (UPS)

کوره‌های القایی

منابع توان DC؛ نیروگاه خورشیدی، پیل سوختی و …

تولید کننده یا جبران کننده توان راکتیو (Static VAR Compensator)

فیلترهای اکتیو

كاهش انرژی مصرفی و لذا كاهش هزینه برق

كاهش جریان راه اندازی و در نتیجه طولانی‌تر شدن عمر موتور

امكان تغییر سرعت موتور، امكان تغییر جهت حركت موتور بدون نیاز به کنتاکتور

روشن و خاموش کردن موتور بدون نیاز به قطع و وصل برق اصلی

داشتن حفاظت در برابر اضافه بار

كنترل از راه دور

ایجاد سرعت بیشتر از سرعت نامی موتور

کاهش ضربه‌های مکانیکی و در نتیجه افزایش طول عمر مفید قسمت مکانیکی

جلوگیری از آسیب‌دیدن موتور در مقابل افزایش ولتاژ

حذف اضافه‌جریان‌ِ (Overcurrent) راه‌اندازی موتور (در اکثر کاربردها)

برنامه ریزی كردن حركت موتور (مدهای متفاوت لباسشویی، پمپ‌های متفاوت و کارکردهای مختلف موتوری) به شکل‌های متفاوت با کمک PLC

معایب اینورتر

هر دستگاهی در نوع خود معایبی نیز به همراه دارد و اینورتر نیز از این قاعده مستثنا نیست.

در کیفیت سنجی Inverter سه پارامتر بیشتر از سایر موارد مورد توجه هستند، این موارد عبارتند از؛

هارمونیک‌های تولیدی (THD)

ضریب توان

مرتبه اولین هارمونیک

در دنیای برق، بدست آوردن هرچیزی معمولا مساوی است با از دست دادن چیز دیگری، و شما در این بین تنها یک مصالحه (Trade Off) را انتخاب‌ می‌کنید، به عنوان مثال اگر شما در یک اینورتر خواستار افزایش دامنه برق AC خروجی باشید درنتیجه هارمونیک‌های اینورتر افزایش خواهند یافت که درنهایت سبب خراب شدن موج سینوسی تولید شده‌ می‌گردد، این مسئله (THD) اگر بیش از اندازه مجاز باشد‌ می‌تواند به دستگاه‌های تغذیه شده با خروجی اینورتر طراحی شده توسط ما، صدمه وارد سازد.

THD صرفا در آزمایشگاه اندازه گیری‌ می‌شود، تفاوت میان اجناس چینی و اروپایی در همین مسائل است، به عنوان مثال یک آداپتور چینی را اگر در خانه تست کنید سطح ولتاژ و جریان استانداردی خواهد داشت اما سایر پارامترها که نیاز به آزمایش دقیق‌تر دارند از کیفیت نازلی برخوردار هستند.

علت تولید هارمونیک در اینورتر چیست؟

از آنجایی که یک اینورتر ذاتا از نوع الکترونیک قدرت است و در آن سوئیچ زنی در تعداد بالا صورت‌ می‌پذیرد بنابراین داشتن هارمونیک امری طبیعی به شمار‌ می‌آید.

بهترین راه حذف هارمونیک چیست؟

فیلتر گذاری یکی از روش‌های موثر در حذف هارمونیک‌ها‌ می‌باشد، دقت داشته باشید که هرچه مرتبه هارمونیک‌ها بالاتر باشد حذف آن راحت‌تر است چراکه فیلتر مورد استفاده کوچکتر خواهد شد.

انواع اینورتر

اینورتر را‌ می‌توان در دسته بندی‌های متفاوتی قرار داد، یکی از آنها تعداد فاز می باشد که می تواند به صورت؛ تک فاز، سه فاز، پنج فاز و … ظاهر گردد.

از اینوتر 5فاز‌ می‌توان برای کنترل دو موتور 3فاز با یک فاز مشترک به صورت همزمان استفاده نمود.

با این حال مهمترین دسته بندی اینورتر براساس مشخص کردن پارامتر (ولتاژ، جریان و امپدانس‌) مدنظر جهت بهینه سازی آن می باشد. به همین دلیل شاهد سه نوع کلی اینورتر می باشیم که در ادامه آورده شده اند؛

اینورتر منبع ولتاژ – VSI (Voltage Source Inverter)

اینورتر منبع جریان – CSI (Current Source Inverter)

اینورتر منبع امپدانسی – ZSI (Z-Source Inverter)

اگر برای شما تثبیت ولتاژ خروجی و شکل موج آن اهمیت داشته باشد مسلما انتخاب شما باید اینورتر منبع ولتاژی باشد.

اگر در کاربرد دیگری تثبیت کیفیت بروی جریان باشد باید از CSI استفاده نمایید.

با این حال هر کدام از موارد یادشده دارای نقطه ضعف و قوت خاص خود‌ می‌باشند که در نهایت با صلاح دید شما یکی از آنها انتخاب خواهد شد.

در ادامه جهت رفع مشکلات اینورتر (هارمونیک، ضریب توان و مرتبه هارمونیک اول) مدل‌های خاصی به سبک‌های متفاوتی ساخته شده اند، که برخی از آنها مانند؛ PWM، SVM و … آغازگر یک سبک خاص از کلیدزنی نیز بوده اند.

سطوح در اینورتر

اینورتر 6 سطحی

یکی از مواردی که در اینورتر‌ها و به صورت کلی مبدل‌ها تعریف‌ می‌گردد، سطوح مبدل‌ می‌باشد، دقت داشته باشید که هرچه تعداد سطوح یک مبدل افزایش یابد هارمونیک آن کاهش یافته و شکل موج خروجی بیشتر به سمت سینوسی میل خواهد کرد بااین حال با افزوده شدن هر سطح جدید، تعداد سوئیچ‌های به کار رفته افزایش خواهد یافت که نتیجه آن افزایش قیمت نهایی و البته تلفات بیشتر‌ می‌باشد.

در حال حاضر اینورتر های 5 سطحی به دلیل سادگی بیشتر نسبت به سایر اینورترها بیشتر تجاری سازی شده اند، دقت داشته باشید که افزایش سطوح باعث پیچیده تر شدن فرآیند کلید زنی نیز خواهد شد و این مسئله در اینورترهای سبک SVM کار تحلیل را بسیار دشوار خواهد نمود.

بالاترین سطحی که در اینورتر استفاده شده است، یک اینورتر 31 سطحی با تعداد سوئیچ‌های بهینه بوده و ساده ترین نوع اینورتر چند سطحی نیز NPC‌ می‌باشد.

مستقیم یا غیر مستقیم

دسته بندی کاربردی دیگری نیز وجود دارد که در آن جهت تبدیل توان مشخص‌ می‌گردد، به این صورت که اگر یک مبدل هم امکان تبدیل DC به AC داشته و در کنار آن امکان تبدیل AC به DC نیز فراهم نماید به آن مبدل مستقیم گفته‌ می‌شود، به این صورت اکثر مبدل‌های اینورتری به دلیل اینکه تنها در یک جهت (DC to AC) فعالیت‌ می‌کنند در دسته “غیر مستقیم”ها قرار‌ می‌گیرند.

شبیه سازی اینورتر

جهت پیاده سازی یک اینورتر، به ظاهر نرم افزارهای زیادی وجود دارد چرا که اینورتر می تواند قسمتی از یک درایو باشد و درایو در بسیاری از نرم افزارهای مهندسی تعریف شده است، مثلا شما در قسمت Maxwell circuit editor نرم افزار مکسول به راحتی‌ می‌توانید به عنوان یک راه انداز موتور یک اینورتر را طراحی نمایید