آشنایی با انواع اینورتر از نظر موج تولیدی

اینورتر چیست؟

در این مقاله به معرفی یک تجهیز مهم از خانواده الکترونیک قدرت یا الکترونیک صنعتی می‌پردازیم. اینورتر ها بر اساس عملکردشان به نام‌های مختلفی شناخته می‌شوند اما در مجموع تمامی آنها از نظر علم برق یک وظیفه اصلی بر عهده دارند و آن تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب است. اینورترها بر اساس نوع عملکرد جریان خروجی می‌توانند برای موارد مختلفی مصرف شوند که بر همین اساس نام دستگاه تولید کننده این منبع ولتاژها متفاوت است. ممکن است استفاده از این دستگاه به منظور راه اندازی الکتروموتورها و پمپ‌ها باشد. ممکن است مبدل یک سیستم انرژی خورشیدی باشد. ممکن است به منظور انتقال توان استفاده شود و… . این مقاله به معرفی اینورتر های VFD نمی‌پردازد؛ بلکه شما  را با خانواده بزرگ‌تری آشنا می‌سازد که درایوهای VFD نیز جزئی از آنهاست. ما همراه باشید.

تعمیر اینورتر: وقتی کلیدهای S1 و S2 روشن هستند؛ دو کلید S3 و S4 خاموش هستند؛ در نتیجه جهت جریان گذرنده از بار در این شرایط در حالت مثبت است و اصطلاحاً در نیم سیکل مثبت خروجی AC قرار داریم.

وقتی کلیدهای S3 و S4 روشن هستند؛ دو کلید S1 و S2 خاموش هستند؛ در نتیجه جهت جریان گذرنده از بار در این شرایط در حالت منفی است و اصطلاحاً در نیم سیکل منفی خروجی AC قرار داریم.

تغییرات روشن و خاموش بودن این کلیدها به تعداد دفعات مختلف کم یا زیاد همان بسامد یا فرکانس را مشخص می‌کنند. خروجی اینورتر شما یک شکل موج مربعی است که در نهایت با استفاده از فیلترها می‌توانید آن را تبدیل به شکل موج سینوسی نمایید.

اینورتر ها را نیز می‌توان بر مبنای نوع خروجی تولیدی، نوع بار مصرفی و مواردی از این قبیل به دسته‌های مختلفی تقسیم بندی کرد. در ادامه به معرفی هرکدام از آنها می‌پردازیم:

1- انواع اینورتر ها بر اساس شکل موج خروجی

در توضیحات بالا گفتیم که خروجی یک اینورتر در حالت ساده می‌تواند یک موج مربعی باشد که می‌تواند به حالت سینوسی نزدیک شود. بر همین اساس سه مدل برای شکل موج درایوها در نظر گرفته شده که به معرفی آنها می‌پردازیم:

الف) اینورتر هایی با شکل موج مربعی

در این مدل در خروجی یک شکل موج مربعی داریم -اغلب بارهای AC با ولتاژ سینوسی شکل سروکار دارند- در نتیجه با اتصال ولتاژ مربعی به آنها یا تلفات زیادی خواهیم داشت و یا در بدترین حالت ممکن بار از بین می‌رود ( می‌سوزد). این مدل اینورتر ارزان‌ترین نوع اینورتر ها می‌باشد و همان‌طور که گفتیم عموماً همراه با یک فیلتر (فیلتر پایین گذر اکتیو) به کار می‌رود تا خروجی آن به حالت سینوسی نزدیک شود.

 ب) اینورتر هایی با شکل شبه سینوسی یا اینورتر های سینوسی اصلاح شده

این مدل در خروجی سیگنالی تولید می‌کند که شبیه به سینوس است؛ اما با حالت سینوسی خالص متفاوت است. در این مدل از وقفه‌هایی قبل از جابجایی فاز استفاده می‌شود و اینورتر مستقیماً فاز را از حالت مثبت به حالت منفی تغییر نمی‌دهد.

ج) اینورتر هایی با شکل سینوسی

این مدل اینورتر ها پرمصرف‌ترین مدل و پیچیده‌ترین مدل هستند، هزینه ساخت آنها بالاتر و میزان تلفات آنها به‌شدت کم می‌باشد. درایوهای VFD یا کنترل کننده‌های دور موتور از این نوع اینورتر ها بهره می‌برند که در آنها از خاصیت PWM استفاده شده است. PWM یا روش مدولاسیون پهنای پالس نیز انواع مختلفی دارد که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت اما به طور کلی در این روش یک سیگنال مرجع و یک سیگنال حامل مثلثی داریم که پالس ارسالی برای سوئیچ‌های قدرت برای ساخت پالس مربعی که شبیه‌ترین حالت به پالس سینوسی درخواستی ما باشد را مشخص می‌کند.

 2- انواع اینورتر ها بر اساس نوع بار (تعداد فاز)

بارهای یک مصرف کننده از نوع AC می‌تواند تکفاز و یا سه فاز باشد. پس بر همین اساس دو نوع اینورتر داریم: اینورتر تکفاز و اینورتر سه فاز.

 الف ) اینورتر تکفاز نیم موج

در این حالت دو منبع، دو دیود و دو تریستور داریم. دیودها به منظور فیدبک در مدار استفاده می‌شوند. ولتاژ منبع برای بار مصرفی به دو بخش مساوی تقسیم می‌شود. در این مدل ما دو مد عملکردی داریم. زیرا از دو  تریستور S1 و S2 بهره می‌گیریم.

در حالت اول تریستور S1 وصل و تریستور S2 قطع است. در اینصورت جریان از قسمت بالایی مدار عبور می‌کند و جریان گذرنده از بار از B به A و مثبت است. پس در این حالت، نیم سیکل مثبت خروجی تولید می‌شود.

در حالت دوم تریستور S2 وصل و ترسیتور S1 قطع است. در اینصورت جریان از قسمت پایینی مدار عبور می‌کند و جریان گذرنده از A به B و منفی است. پس در این حالت، نیم سیکل منفی خروجی تولید می‌شود.

ب) اینورتر تکفاز تمام موج

در این حالت یک منبع ولتاژ، چهار دیود فیدبک و چهار تریستور داریم. در حالت نیم موج در هر لحظه یک سوئیچ فعال می‌شد؛ اما در حالت تمام موج دو سوئیچ فعال می‌شود. البته در مجموع در حالت تمام موج نیز دو مد عملکرد داریم.

در حالت اول تریستور های S1 و S2 روشن و تریستور های S3 و S4 خاموش هستند. در نتیجه مسیر جریان از A به B بوده و جریان گذرنده مثبت و در نیم سیکل مثبت قرار می‌گیریم.

در حالت دوم تریستور های S3 و S4 روشن و تریستور های S1 وS2 خاموش هستند. در نتیجه مسیر جریان از B به A بوده و جریان گذرنده منفی و در نیم سیکل منفی قرار می‌گیریم.

 الف) اینورتر های سه فاز در مد عملکرد 120 درجه

برای فهمیدن ساختار اینورتر های سه فاز بهتر است نگاهی به کتب الکترونیک قدرت بیاندازید. در این مدل در هر لحظه دو تریستور هدایت می‌کنند. مدت هدایت برای همه تریستورها (زاویه آتش) 120 درجه است. این یعنی که یک سوئیچ  به اندازه 120 درجه روشن و 240 درجه بعدی را خاموش است. در نهایت یک شکل موج مربعی شبه سینوسی داریم.

ب) اینورتر های سه فاز در مد عملکرد 180 درجه

در این حالت در هر مد سه تریستور فعال می‌شوند. زمان هدایت این تریستور ها 180 درجه است. در این حالت شکل موج فاز به صورت سه پله‌ای است و ولتاژ خط شکل موج شبه مربعی است.

 3- انواع اینورتر ها بر اساس تعداد سطح خروجی

اینورتر ها می‌توانند دارای خروجی‌های متفاوتی در سطوح ولتاژی مختلف باشند. بر همین اساس می‌توان آنها را به دو صورت زیر تقسیم بندی کرد:

الف) اینورتر های دو سطحی

این مدل که مرسوم‌ترین حالت ممکن است؛ فقط دارای دو سطح ولتاژی در خروجی می‌باشد که همان ولتاژ پیک مثبت و ولتاژ پیک منفی است. اگر اینورتر شما دارای سطح ولتاژ صفر نیز باشد؛ بازهم یک اینورتر دو سطحی است.

 ب) اینورتر های چند سطحی

اگر چندین ولتاژ در خروجی اینورتر داشته باشید، در این صورت یک اینورتر چند سطحی دارید. اینورتر های چند سطحی برای ولتاژها و توان‌های بالا مناسب است و این به دلیل برخورداری آنها از اعوجاج هارمونیکی کمتر، پایین بودن سطح تداخل امواج الکترومغناطیسی و … است. اینورتر های چند سطحی دارای آرایش خازنی و ترانسفورماتوری هستند. اینورتر های چند سطحی چهار دسته‌اند: اینورتر های خازن هوایی، اینورتر های هیبریدی، اینورتر های Cascade H و اینورتر های دیود کلمپ.

 4- انواع اینورتر ها از نظر ارتباط با شبکه

منظور از شبکه ارتباط اینورترها با شبکه برق است. بر همین اساس به دو دسته قابل تقسیم است:

الف) اینورتر های متصل به شبکه

در این مدل‌ها در مواقعی که کاهش میزان برق مصرفی مورد اهمیت بوده و توان ورودی یکنواختی نداریم یا الگویی خاص برای تبدیل جریان DC به AC نیاز داریم به سراغ آنها می‌رویم.

ب) اینورتر های منفصل (جدا) از شبکه

این اینورتر ها نه تنها به شبکه برق متصل نمی‌شوند؛ بلکه تغذیه را از باتری‌های مختلف مانند یک باتری 12 ولتی دریافت کرده و مطابق با مشخصات نامی ولتاژ AC را در خروجی تحویل می‌دهند.

5- انواع اینورتر ها بر اساس تکنیک PWM (مدولاسیون پهنای پالس)

تکنیک مدولاسیون پهنای پالس به منظور شبیه کردن هرچه بیشتر سیگنال مربعی اینورتر به یک سیگنال سینوسی مشابه با ولتاژ AC به کار می‌رود. در تمامی اینورتر های بروز و منحصر به فرد و حتی در درایوهای کنترل دور موتور که بر مبنای ولتاژ -فرکانس کار می‌کنند؛ از این تکنیک استفاده می‌شود. اما این تکنیک دارای انواع مختلفی بوده که بر اساس اینورتر ساخته شده، با استفاده از ادوات الکترونیک بر روی سیگنال تولیدی پیاده سازی می‌شود. در ادامه به معرفی انواع آنها می‌پردازیم:

الف) اینورتر با PWM تکی یا Single PWM

در این مدل برای هر نیم چرخه ولتاژ خروجی، یک پالس داریم. سیگنال مرجع سیگنالی با موج مربعی و سیگنال حامل ما یک سیگنال با موج مثلثی مطابق شکل زیر است. پالس گیت سوئیچ‌های نیمه هادی (تریستورها) با مقایسه دو سیگنال مرجع و حامل شکل می‌گیرد. فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می‌شود. مشکل اصلی این روش وجود هارمونیک بالاست.

 ب) اینورتر با PWM چندتایی یا MPWM

مشکل موجود در حالت تکی با استفاده از حالت چندتایی حل شده است. در این مدل در هر نیم چرخه ولتاژ خروجی چندین پالس داریم. مطابق با حالت قبلی، پالس گیت سوئیچ‌های نیمه هادی (تریستورها) با مقایسه دو سیگنال مرجع و حامل شکل می‌گیرد.  فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می‌شود. از این روش برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می‌شود.