اینورتر

اینورتر چیست

اگر برای شما هم ، سوال هایی از قبیل : اینورتر چیست؟ کار اینورتر چیست؟ طرز کار اینورتر چگونه است؟ پیش آمده است، با ما همراه باشید تا در این مقاله آموزشی بطور مفصل به این سوالات پاسخ دهیم.
اینورتر به دستگاهی اطلاق می شود که بتواند ولتاژ DC را به AC تبدیل نماید. آنچه در صنعت به عنوان اینورتر مطرح می شود منظور مبدل برق DC به AC سه فازه با فرکانس متغیر معمولا 01/0 هرتز الی 400 هرتز است. شکل زیر، تبدیل ولتاژ DC را به AC در یک اینورتر نشان می دهد.

 

 

برای تامین برق  dc  ورودی اینورترها ، معمولا از برق شهر استفاده می کنند. بدین منظور برق شهر را (AC-50HZ) یکسو نموده و به ورودی مدارات الکترونیکی اینورتر اعمال می کنند. 
نکته : در صنعت بخش یکسو ساز نیز به همراه اینورتر ارائه می شود.

 

 

ساختمان داخلی اینورتر

با توجه به مطالبی که گفته شد یک اینورتر شامل سه قسمت اصلی زیر است:

1. 1-یکسوساز  (Rectifier)
2. 2-کنترل کلید زنی برای تغییر ولتاژ و فرکانس (LOGIC CONTROL) 
3. 3-سوئیچ های قدرت(IGBT) 

 

 

1-یکسوساز

وظیفه یکسوساز  (Rectifier)، تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم  (DC)است و با توجه به نوع درایو، برق 220 ولت تک فاز یا 380 ولت سه فاز را یکسو می کند.
با توجه به اینکه جریان متناوب در این قسمت به جریان مستقیم تبدیل می شود، فرکانس و شکل موج ورودی اینورتر اهمیتی نخواهد داشت. برای دیدن شکل موج ها و طول موج از دستگاهی به نام اسیلوسکوپ استفاده می کنند.

 

2ـ کنترل کلیدزنی برای تغییر ولتاژ و فرکانس (LOGIC CONTROL) 

وظیفۀ اصلی بُرد کنترل اینورتر، تولید پالس هایی برای خاموش و روشن کردن سوئیچ های الکترونیکی است، به صورتی که برق DC خروجی یکسوساز را به AC تبدیل می کند. مبنای کلید زنی و پهنای پالس کلید زنی، به پارامترهای تنظیم شده در اینورتر بستگی دارد که پس از تنظیم از طرف برد کنترل، به سوئیچ های الکترونیکی اعمال می شود.

 

3- سوئیچ های قدرت

برای تبدیل جریان مستقیمDC  به جریان AC متناوب باید بتوان جریان مستقیم را با سرعت زیاد قطع و وصل نمود. اِلمان هایی که می توانند عمل قطع و وصل (سوئیچ) جریان مستقیم را در توان های بالا انجام دهند به سوئیچ های قدرت معروف اند. همان طور که در بالا اشاره شد فرمان کلیدزنی این سوئیچ ها از برد کنترل صادر می شود.
سوئیچ های قدرت دارای انواع مختلفی در صنعت می باشند. یکی از مهم ترین آنها که در اینورترها به کار گرفته می شود IGBT نام دارد.
IGBT  مزایای ترانزیستورهای دو قطبی و Mosfet ها را به طور یک جا دارد و به علت داشتن یک mosfet  در ورودی گیت، برای کار در سرعت های سوئیچینگ بالا مناسب است. همچنین می توان آن را به وسیله ی یک مدار ساده، کنترل کرد. به علاوه چون در خروجی آن یک ترانزیستور دو قطبی قرار دارد، دارای قابلیت هدایت جریان بالاتری نسبت به ترانزیستورهای دو قطبی قدرت است.
با توجه به این مشخصات ممتاز IGBT، استفاده از آن در ولتاژهای بالا به طور وسیعی افزایش یافته و جایگزین مناسبی برای Mosfet ها و ترانزیستورهای دو قطبی قدرت است.
در یک اینورتر سه فاز شش عدد IGBT، جهت تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب سه فاز متعادل است.

 

طرز کار اینورتر

ابتدا نحوه و چگونگی تبدیل ولتاژ DC  به ولتاژ AC  در اینورتر بررسی می شود. برای این منظور از مدار نشان داده شده در شکل زیر استفاده شده است.

 

 

در شکل بالا اگر سوئیچ های S1 و S4 بسته شوند، ولتاژ DC بین نقاط B و A ، در دو سر مقاومت قرار می گیرد ( در حقیقت همانطور که در شکل بعد مشاهده می کنید مقاومت با منبع موازی می شود ) این شکل موج خروجی به شکل مربعی است.

 

 

 

اگر در حالی که کلید های S1 و S4 باز هستند کلید های S2 و S3 بسته شوند شکل ولتاژ دو سر مقاومت اهمی به صورت شکل زیر خواهد شد.

 

 

 

چنانچه به تناوب کلیدهای S1 و S4 و همچنین کلیدهای S2 و S3 باز و بسته شود ، شکل ولتاژ دو سر مقاومت اهمی به صورت شکل زیر خواهد شد. بنابراین در اینورترها ولتاژ متناوب AC را عملا به صورت شکل زیر تولید می کنند.

 

 

اکنون با تنظیم مدت زمان وصل و قطع بودن کلیدهای S1 تا S4 به سادگی می توان فرکانس ولتاژ خروجی متناوب را تغییر داد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید با تغییرات زمان تناوب کلید زنی، فرکانس ولتاژ خروجی تغییر کرده است.

 

همچنین می توان با تنظیم مدت زمان وصل و قطع بودن کلید های S1 الی S4 ، ولتاژ موثر خروجی را نیز تغییر داد. بنابراین با تنظیم مدت زمان وصل بودن و قطع بودن کلیدها می توان ولتاژ را تغییر داد.

 

 

شکل ولتاژ و فرکانس دو سر خروجی اینورتر (VFD) عملا مربعی است فقط یک تفاوت خیلی کوچک با شکل های نشان داده شده دارد و آن اینکه عرض مربع شکل موج ها با یکدیگر ممکن است متفاوت باشد. فرکانس این پالس ها بین 1 الی 16 کیلو هرتز است. کاربر می تواند این فرکانس را تغییر دهد. (به این فرکانس، فرکانس کریر نیز می گویند)

 

 

دلیل این امر این است که اگر ولتاژ شکل بالا به یک بار اهمی القایی اعمال شود. شکل موج جریان گذرنده از بار اهمی-القایی ( مثلا موتور) الکتریکی تقریبا سینوسی خواهد بود. 

 

 

برای تولید ولتاژ سه فاز در خروجی اینورتر، از 6 کلید به صورت شکل بالا استفاده می کنند. با باز و بسته شدن مناسب کلید های S1 و S6 ، ولتاژ سه فاز در خروجی اینورتر تولید می شود.
 

در خروجی اینورتر علی رغم داشتن ولتاژ سه فاز، شکل ولتاژ همچنان بصورت پالس های مربعی است. بنابراین با ولت متر معمولی نمی توان ولتاژ خروجی اینورتر را انداز گرفت، زیرا ولت مترهای معمولی برای شکل ولتاژ سینوسی ساخته شده اند.

فرکانس سوئیچ زنی در اینورترها معمولا بین 5/1 کیلو هرتز الی 16 کیلو هرتز است و در اکثر اینورترهای ساخته شده کاربر می تواند آن را تغییر دهد.
سوئیچ های به کار برده شده در تبدیل ولتاژ  DC به AC ، همگی از نوع الکترونیکی هستند . در حقیقت یک سوئیچ الکترونیکی یک مقاومت اهمی است که هنگام باز بودن سوئیچ مقاومت آن زیاد است و هنگام بسته بودن سوئیچ مقاومت اهمی آن بسیار کم است.

 

 

سوئیچ های الکترونیکی برای نوع ولتاژ AC, DC متفاوت هستند. سوئیچ هایی که برای ولتاژ AC مورد استفاده قرار می گیرد همان تریستورها  (SCR) هستند و سوئیچ هایی که برای ولتاژ DC مورد استفاده قرار می گیرند IGBT نام دارند. در شکل زیر سمبل تریستور و ترانزیستور IGBT نشان داده شده است.

 

 

 

مزایای استفاده از اینورتر

راه اندازی موتور الکتریکی با اینورتر یک نوع راه اندازی نرم برای موتور الکتریکی است که مزایای زیر را به همراه دارد:
صرفه جویی در مصرف انرژی به طوری که ظرف مدت یک الی یک و نیم سال ، هزینه خود اینورتر از بابت صرفه جویی در مصرف انرژی جبران می شود 
کاهش توان غیر موثر مصرفی (به دلیل داشتن بانک خازنی در اینورتر)
حذف جریان راه اندازی زیاد
رفع ناهنجاری های مکانیکی (عدم ایجاد ضربه و به تبع آن عدم خرابی فونداسیون و...)
عدم خرابی یاتاقان، بیرینگ ها و بلبرینگ های موتور الکتریکی
عدم خرابی سیستم انتقال نیرو از موتور به بار مکانیکی (مانند تسمه ها، چرخ زنجیرها و...)
عدم خرابی گیر بکس های تبدیل دور
محدود کردن جریان راه اندازی
عدم نیاز به خازن های اصلاح ضریب توان (کسینوس فی)
عدم نیاز به حالت ستاره و مثلث هنگام راه اندازی موتور
امکان قطع و وصل اضطراری از راه دور 
عدم نیاز به کلید های قطع و وصل قدرت 
امکان تعداد دفعات قطع و وصل زیاد در زمان کوتاه 
امکان داشتن دور ثابت و مستقل از بار (شبیه موتور سنکرون)
به سادگی و بدون هیچ گونه تجهیزاتی اینورتر می تواند جهت گردش روتور موتور را عوض کند.
امکان غیر فعال کردن یک جهش گردش موتور
در اینورتر می توان محدوده فرکانسی را به صورت حد پایین و حد بالا تنظیم کرد ( مثلا کاری کنیم که هیچ گاه دور موتور از 1250 دور کمتر نشود و از 1850 دور نیز بیشتر نشود)

به طور کلی می توان در اینورتر تمامی پارامترهای نامی و واقعی موتور را وارد کرد. اینورتر هنگام کار موتور، به طور مستمر تمامی پارامترها را کنترل می کند . فرض کنید در اینورتر جریان نامی موتور  20A تعریف شود و همچنین در اینورتر مشخص شود که اگر جریان موتور الکتریکی از مقدار تعریف شده 30% بیشتر شد و این اضافه جریان بیش از 60 ثانیه طول کشید اینورتر، موتور الکتریکی را خاموش کند. یا اگر یکی از فازهای ورودی موتور الکتریکی قطع شد (به هر دلیلی ) موتور را خاموش کند و یا اگر اختلاف دامنه جریان های سه فاز موتور از مقدار مشخصی بیشتر شد موتور را خاموش کند.
 

بنابراین اینورتر می تواند یک عملکرد حفاظتی بسیار خوب برای مصرف کننده های موتوری باشد. یکی از نکاتی که ممکن است هنرجویان در مورد آن سوال داشته باشند، مقایسه اصلاح ضریب قدرت توسط اینورتر و بانک خازنی است. اشاره به این نکته اهمیت دارد که کنتاکت های بانک خازنی در اثر گذشت زمان و جرقه زنی دچار استهلاک می شود در حالی که این استهلاک در اینورتر رخ نمی دهد.

 

به طور کلی می توان گفت :

وقتی یک موتور الکتریکی از طریق اینورتر راه اندازی می شود اگر پارامترهای اینورتر درست تنظیم شده باشند، سیم پیچ های موتور هرگز نمی سوزد. یعنی اینورتر ضمن داشتن مزایای زیاد در راه اندازی و توقف موتور الکتریکی و سایر موارد ذکر شده، محافظ بسیار خوب و مطمئن موتور الکتریکی است.
 

ضمن اینکه اینورتر تاحدود زیادی خود مواظبتی نیز دارد . مثلا اگر از خروجی اینورتر جریان بیش از حد تحمل اینورتر عبور کند بلافاصله اینورتر انتقال توان به موتور را قطع می کند و پیغام جزیان اضافی اینورتر را صادر می کند.

 

برای اینکه بتوانیم از مزایای اینورتر در راه اندازی موتورهای الکتریکی بهره ببریم ، اولین مرحله شناخت دقیق پارامترهای اینورتر است. تعداد پارامترهای یک اینورتر، در بعضی از اینورترهای ساخته شده، شاید به مراتب بیش از 200 پارامتر باشد. 
شکل روبرو نحوه اتصال یک موتور الکتریکی به یک اینورتر و شبکه برق سه فاز را نشان می دهد.
 

 

عملکرد حفاظتی اینورتر

حفاظت اینورتر از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

الف) حفاظت اینورتر 
ب) حفاظت موتور توسط اینورتر

 

1. الف) حفاظت اینورتر

2. اینورتر تا حدودی خود حفاظتی در برابر عواملی چون گرم شدن قطعات الکترونیک یا وصل شدن موتور با توان بیشتر از توان تحمل اینورتر (در حقیقت در برابر جریان خروجی بیشتر از حد مجاز اینورتر ) و موارد مشابه دیگر دارد. مثلا اگر جریان خروجی آن از حد مجاز بیشتر شود بلافاصله موتور متصل به خود را قطع می کند و پیغام مناسبی مانند Inverter Over Load و یا IOL روی صفحه نمایش نشان می دهد. اگر دمای قطعات الکترونیک قدرت آن از حد مجاز بیشتر شود بلافاصله موتور متصل به خود را خاموش می کند و معمولا پیغام Thermal ـ E و یا Eth صادر می کند. اگر فن خنک کن آن بسوزد یا قطع شود بلافاصله موتور متصل به خود را خاموش می کند و با پیغام مناسب کاربر را از خطای به وجود آمده مطلع می کند.
3.  
4. اینورتر در برابر اتصال کوتاه خروجی معمولا محافظت نمی شود و چنانچه اتصال کوتاهی در خروجی آن رخ دهد، به احتمال خیلی زیاد قطعات قدرت آن می سوزند. لذا ابتدا موتور را بطور صحیح و با رعایت اصول فنی به اینورتر وصل کنید (از اتصال کوتاه نبودن خروجی مطمئن شوید) سپس برق اصلی را وصل کنید.
5.  
6. علاوه بر موارد فوق اگر ولتاژ ورودی اینورتر از مقدار مشخصی کمتر یا از مقدار مشخصی بیشتر شود موتور متصل به خود را بلافاصله خاموش می کند و پیغام هایی مانند Overvoltage Trip برای ولتاژ بیشتر از حد مجاز و Low Voltage Trip برای ولتاژ کمتر از حد مجاز صادر می کند.

 

1. ب ) حفاظت موتور توسط اینورتر

2. اگر هواکش اینورتر دارای مشکل شود مثلا اتصالات آن از جای خود خارج شده باشند و یا بسوزد (وقتی هواکش می سوزد یا جریان دریافت نمی کند-سیم های ارتباط الکتریکی آن قطع شده اند-یا جریان بیش از حد نامی دریافت می کند) بلافاصله اینورتر موتور متصل به خود را خاموش می کند تا عناصر نیمه هادی قدرت آن که قبلا بطور غیر مستقیم و یا مستقیم توسط هواکش خنک می شوند، بیش از اندازه گرم نشوند. زیرا در اثر گرم شدن بیش از حد، معمولا معیوب می شوند. توجه داشته باشید در اینورتر وقتی هواکش کار نمی کند لزوما به معنای سوختن آن نیست! بلکه در آن لحظه نیازی نبوده است که هواکش کار کند.
    

 

منبع : کتاب نصب و تنظیم تابلو برق فشار ضعیف - پدید آورنده : سازمان پژوهش و برنامه ریزی آموزشی