اينورتر (Inverter) چيست

اينورتر (Inverter) چيست؟

اينورتر يك دستگاه الكتريكي است كه مي تواند جريان مستقيم (DC) را به جريان متناوب (AC) تبديل كند. با استفاده از ترانسفورماتورها ، سوئيچ ها و مدارات كنترل ، AC تبديل شده مي تواند هر مقدار ولتاژي و فركانسي داشته باشد. اينورترهاي استاتيك قطعات متحرك ندارند و در رنج وسيعي از كاربردها استفاده مي شوند. از منابع تغذيه سوئيچينگ در كامپيوترها تا كاربردهاي جريان مستقيم ولتاژ بالاي تاسيسات الكتريكي براي انتقال عمده توان. اينورترها معمولا براي تغذيه توان AC از منبع DC استفاده مي شود مثل پنل خورشيدي يا باتري ها. اينورترهاي الكتريكي اسيلاتورهاي الكتريكي توان بالا هستند. علت نامگذاري اين است كه قبلا براي تبديل كردن DC به AC از مبدل هاي AC به DC به صورت معكوس استفاده مي شد. اينورتر عمل مخالف تابع يكسوساز را انجام مي دهد.

شرح و توصيف :

يك ترانسفورمر منبع AC را به هر ولتاژ مطلوب تبديل مي كند ، اما در همان فركانس . اينورترها ، به علاوه يكسوسازهاي DC ، مي تواند براي تبديل از هر ولتاژ ، AC يا DC ، به هر ولتاژ ديگر ، ACيا DC ، در هر فركانس مطلوب طراحي شود. توان خروجي هرگز از توان ورودي تجاوز نمي كند ، اما راندمان مي تواند زياد باشد ، با يك نسبت از توان اتلافي به عنوان گرماي تلف شده .

در يك مدار اينورتر ساده ، منبع DC از طريق سر وسط سيم پيچ ورودي به يك ترانسفورمر متصل مي شود. يك كليد به سرعت بين سيم پيچ هاي بالا و پايين سوئيچ مي شود تا جريان منبع DC به صورت متناوب از طريق يك سر سيم پيچ اوليه و سپس از ديگري جاري شود. تناوب جريان در سيم پيچ اوليه ترانسفورمر در سيم پيچ ثانويه جريان متناوب (AC) توليد مي كند.
نوع الكترومكانيكي تجهيزات سوئيچينگ شامل دو اتصال ثابت و يك اتصال متحرك با نگهدارنده فنري است. فنر اتصال متحرك را خلاف جهت يكي از اتصالات ثابت نگه مي دارد و يك آهنرباي مغناطيسي اتصال متحرك را به سمت اتصال ثابت مخالف مي كشد. جريان آهنرباي مغناطيسي با عمل سوئيچ قطع مي شود. به طوري كه كليد دائما و به سرعت بين سيم پيچ هاي بالا و پايين سوئيچ مي شود. اين نوع كليد اينورتر الكترومغناطيسي ، ويبراتور يا بيزر ناميده مي شود ، كه قبلا در راديوهاي لامپي اتومبيل استفاده مي شد. مكانيزمي مشابه در زنگ درها ، بيزرها و سرنگ خالكوبي استفاه شده است. هنگامي كه آنها در حال در دسترس بودن با توان نامي مناسب بودند ، ترانزيستورها و انواع مختلف ديگر سوئيچ هاي نيمه هادي در طراحي مدارات اينورتر وارد شدند.

طراحي هاي پيشرفته :

پيكره بندي هاي مختلفي براي مدارات قدرت وجود دارد و راه حل هاي مختلفي در طراحي اينورتر استفاده مي شود. روش هاي مختلف طراحي كه ممكن است كما بيش اهميت داشته باشد ، به اين كه اينورتر براي چه مقصودي طراحي شده است ، بستگي دارد. برامد كيفيت شكل موج به روش هاي زيادي مي تواند مرتب شود. خازن ها و سلف ها مي توانند براي فيلتر كردن شكل موج استفاده شوند. اگر طراحي شامل يك ترانسفورمر باشد ، فيلتر مي تواند به اوليه يا ثانويه ترانسفورمر يا به هر دو سمت آن اعمال شود. فيلتر پايين گذر براي اجازه عبور دادن به مولفه اصلي شكل موج به خروجي در حين محدود كردن عبور مولفه هاي هارمونيك به كار برده مي شود. اگر اينورتر براي تامين انرژي در فركانس ثابت طراحي شده است ، يك فيلتر تشديد مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. براي يك اينورتر فركانس متغير ، فيلتر بايد براي فركانسي تنظيم شود كه بالاتر از حداكثر فركانس مولفه اصلي باشد . از آنجايي كه اكثر مصرف كننده ها شامل سلف هستند ، يكسوسازهاي فيدبك يا ديود هاي موازي-معكوس اغلب به دو سر هر يك از سوئيچ هاي نيمه هادي متصل مي شود تا مسيري براي پيك جريان بار القائي موقع قطع سوئيچ ايجاد كند. ديودهاي موازي-معكوس تا حدي شبيه ديودهاي هرزگرد استفاده شده در مدارات مبدل هاي AC/DC هستند. تحليل فوريه نشان مي دهد كه يك شكل موج ، مثل موج مربعي ، كه حدودا در نقطه180 درجه غير متقارن هستند ، فقط شامل هارمونيك هاي فرد هستند ، سوم ، پنجم ، هفتم و الي آخر. شكل موج هايي كه پله هايي با عرض هاي معين و سعود و نزول محو دارند ، هارمونيك هاي اضافي را حذف مي كنند. براي مثال با اضافه كردن يك پله صفر ولت بين قسمت هاي مثبت و منفي موج مربعي ، همه ي هارمونيك هايي كه بر 3 بخش پذير هستند ، حذف مي شوند و فقط هامونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و ... باقي مي ماند. عرض مورد نياز براي پله ها يك سوم پريود هر پله مثبت يا منفي و يك ششم پريود هر پله صفر ولت است. تغيير موج مربعي توضيح داده شده در بالا يك مثال از مدولاسيون پهناي باند (PWM) است. مدولاسيون ، يا رگولاسيون عرض يك پالس موج مربعي اغلب به عنوان متودي از رگوله كردن يا تنظيم ولتاژ خروجي اينورتر است. زماني كه كنترل ولتاژ لازم نيست ، يك عرض پالس ثابت مي تواند براي كاهش يا خذف كردن هارمونيك مورد نظر انتخاب شود. تكنيك حذف هارمونيك معمولا روي پايين ترين هارمونيك ها ( از لحاظ فركانسي ) به كار برده مي شود چون فيلترينگ در فركانس هاي بالاتر موثرتر از فركانس هاي پايين است. طرح هاي كنترلي Multiple pulse-width يا carrier based PWM شكل موج هايي را ارائه مي دهد كه با پالس هاي كم عرض زيادي تركيب شده اند. فركانس به نمايندگي از تعداد پالس هاي باريك در ثانيه ، فركانس سوئيچينگ يا فركانس كرير ناميده مي شود. اين طرح هاي كنترلي اغلب در اينورترهاي كنترل موتورهاي فركانس متغير استفاده مي شوند زيرا رنج وسيعي از ولتاژ و فركانس خروجي را قابل تنظيم مي كنند در حين بهتر كردن كيفت شكل موج. اينورترهاي چند سطحي روش ديگري را براي حذف هارمونيك ها ارائه مي كنند. اينورترهاي چند سطحي شكل موجي را در خروجي ايجاد مي كند كه چندين پله مجزا از سطوح مختلف ولتاژ را ارائه مي كند. براي مثال ممكن است كه چند موج سينوسي را با داشتن ورودي هاي جريان مستقيم در دو سطح ولتاژ يا ورودي هاي مثبت و منفي با زمين مركزي ايجاد كند. با اتصال ترمينال هاي خروجي اينورتر به ترتيب بين مثبت و زمين ، مثبت و منفي ، زمين و منفي ، سپس هر دو به زمين ، يك شكل موج پله اي در خروجي اينورتر توليد مي شود. اين مثالي از اينورتر سه سطحي است : دو ولتاژ و يك زمين.

كاربرد به عنوان منبع تغذيه DC:

يك اينورتر الكتريسيته ي DC را از منابعي از قبيل باتري ها ، پنل خورشيدي يا پيل هاي سوختي به الكتريسيته AC تبديل مي كند. برق توليدي مي تواند هر مقدار مورد نياز باشد. در اصل مي توان از اينورتر براي راه اندازي تجهيزات AC به عنوان كاربرد اصلي استفاده كرد يا آن را براي تهيه ولتاژ مطلوبي يكسو كرد. اينورترهاي Grid tie مي توانند انرژي را به شبكه ي توزيع برگشت دهند زيرا جريان متناوب را با همان شكل موج و فركانس اعمالي به شبكه ي توزيع تهيه مي كنند. همچنين مي توانند در صورت تاريكي بصورت اتوماتيك خاموش شوند. ميكرو اينورترها جريان مستقيم يك پنل خورشيدي را براي اعمال به شبكه الكتريكي به جريان متناوب تبديل مي كند.

منبع تغذيه وقفه ناپذير:

يك منبع تغذيه وقفه ناپذير (UPS) از چند باتري و يك اينورتر براي تغذيه توان AC زماني كه منبع اصلي در دسترس نيست ، استفاده مي كند. موقعي كه منبع اصلي به مدار بازگشت ، يك يكسوساز براي شارژ مجدد باتري ها از منبع اصلي استفاده مي شود.

گرمكن القائي:

از اينورتر ها براي بالا بردن فركانس برق اصلي جهت استفاده در گرمكن القائى استفاده مي شود. براي اينكار ابتدا برق اصلي با به DC تبديل كرده و سپس بوسيله اينورتر برق DC را به AC با فركانس بالاتر تبديل مي كنند.

اينورترها منبع فركانس پايين AC اصلي را به فركانسي بالاتر براي استفاده در گرمكن القائي تبديل مي كند. سپس اينورتر منبع DC را به منبع AC فركانس بالا تبديل ميكند.

درايوهاي فركانس متغير:

استفاده از باتري و اينورتر بعنوان منبع تغذيه اضطراري (يو پي اس) جهت تامين برق AC زماني كه برق اصلي در دسترس نيست. وقتي كه برق اصلي مجددا برقرار شد ، از يكسو كننده براي شارژ كردن باتري ها استفاده مي شود.

درايو فركانس متغير:

درايو فركانس متغير يا VFD يك سيستم براي كنترل كردن سرعت چرخش يك موتور AC با كنترل كردن فركانس برق اعمال شده به موتور الكتريكي است. اينورتر وظيفه كنترل برق را بعهده مي گيرد. در اغلب موارد ، درايو فركانس متغير شامل يك يكسوساز است به طوري كه برق DC مورد نياز اينوتر از برق AC اصلي تامين مي شود. از آنجا كه در اينجا اينورتر يك عنصر اصلي است، بعضي اوقات درايو فركانس متغير به نام درايو اينورتر يا كلا اينورتر ناميده مي شود.

استفاده از باتري و اينورتر بعنوان منبع تغذيه اضطراري (يو پي اس) جهت تامين برق AC زماني كه برق اصلي در دسترس نيست. وقتي كه برق اصلي مجددا برقرار شد ، از يكسو كننده براي شارژ كردن باتري ها استفاده مي شود.

درايوهاي الكتريكي وسيله نقليه:

در حال حاضر از اينورتر جهت كنترل قدرت كشش موتور در برخي وسايل نقليه برقي مانند قطار برقي و همچنين برخي از خودروهاي الكتريكي و هيبريدي مانند تويوتا Prius استفاده مي شود. به طور خاص پيشرفت هاي مختلف انجام شده در تكنولوژي اينورترها به خاطر كاربرد آنها در وسايل نقليه برقي است. در وسايل نقليه مجهز به ترمز احيا كننده، اينورتر همچنين انرژي خود را از موتور (كه در اين جا به عنوان يك ژنراتور عمل مي كند) گرفته و آن را در باتري ها ذخيره مي كند.

استفاده در پنلهاي خورشيدي:

پنلهاي خورشيدي داراي خروجي DC هستند كه با استفاده از اينورترها اين توان تبديل به AC مي‌شود.انواع اينورترها از نظر فاز و شكل موج خروجي: اينورترها از نظر فاز تبديل به دو نوع عمده تك فاز و سه فاز تقسيم بندي مي‌شوند همچنين از نظرشكل موج خروجيشان به چهار نوع زير تقسيم مي‌شوند.

1- خروجي به شكل موج مربعي

2- خروجي به شكل سينوسي اصلاح شده (معمولي)3

- خروجي به شكل سينوسي اصلاح شده (پله اي)

4- خروجي به شكل سينوسي خالص

مناسب براي جوشكارى انواع فولاد و خصوصاً جوشكارى آلومينيوم

در گذشته دستگاههاى جوشكارى بر پايه ترانسفورماتور بوده اند .عملكرد ترانسفورمرها درفركانس 50 يا 60 هرتز معمولاً نا كارآمد مى باشد . گرماى زيادى در ترانسفورمر توليد شده وترانسفورمر نيز بايد نسبتاً بزرگ و سنگين باشد . بخش مهمى از انرژى ، صرف گرم كردن ترانسفورمر و فضاى اطراف آن مىشود . ترانسفورمر قدرت اصلى كه با توان 20000 هرتز كار مى كند ، به مراتب بهينه تر وكارآمدتر از انواع 50 هرتزى آن است كه اين به معناى كوچك شدن قابل توجه ترانسفورمر مى باشد . بعنوان مثال در مقايسه بادستگاههاى ركتيفاير ترانسفورمرى باحدود 100 تا 200 كيلوگرم وزن ، دستگاههاى مشابه اينورترى حدود 8تا 40 كيلوگرم وزن دارند. بنابراين ازمزاياى سبك و قابل حمل بودن دستگاههاى اينورترى لذت خواهيد برد .

ديگر برترى دستگاههاى اينورترى ، بهره ورى اقتصادى آنها مى باشد . بعنوان مثال، مقدار جريان اوليه در يك دستگاه اينورتر سه فاز با جريان خروجى 200 آمپر، 12 آمپر مى باشد. اما اين جريان در مدل هاى ترانسفورمر معمولى حدود 18 آمپر در جريانهاى مشابه است . اگر چه گاهى اوقات در زمينه صرفه جويى در تبديل سيستم هاى ترانسفورمر به اينورتر اغراق مى شود.

اما ميتوان گفت شما بطور ساليانه حداقل % 15 و بسته به ساير شرايط تا % 30 در زمينه نيروى مصرفى ، كاهش هزينه خواهيد بسيار يكنواخت و عارى از هرگونه نوسانات DC ورودى به دستگاه ، در سيستم اينورترى به يك AC داشت .

شكل موج خروجي :

كليد در اينورتر ساده ي توضيح داده شده در بالا يك شكل موج ولتاژ مربعي توليد مي كند. در عوض موج سينوسي كه شكل موج متداول منبع تغذيه AC است. با استفاده از تحليل فوريه ، شكل موج متناوب متشكل از مجموعي از بي نهايت سري از موج هاي سينوسي است. موج سينوسي كه همان فركانس را دارد به عنوان شكل موج اصلي ، مولفه ي اصلي ناميده مي شود. شكل موج هاي سينوسي ديگر ، هارمونيك ناميده مي شوند ، كه شامل يك سري با مضارب صحيح فركانس اصلي هستند. كيفيت شكل موج خروجي اينورتر مي تواند براي محاسبه اعوجاج هارمونيكي كل (THD) با استفاده از اطلاعات آناليز فوريه بيان شود. اعوجاج هارمونيكي كل جذر مجموع مربعات ولتاژ هارمونيك ها تقسيم بر ولتاژ اصلي است.
كيفيت شكل موج خروجي كه از يك اينورتر مد نظر است به مشخصات مصرف كننده وابسته است. بعضي مصرف كننده ها براي كاركرد صحيح به منبع ولتاژ تقريبا سينوسي كامل نياز دارند. مصرف كننده هاي ديگر ممكن است با ولتاژ مربعي خيلي خوب كار كنند.