اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

در این مقاله سوال اینورتر چیست پاسخ داده شده است. اینورتر همزمان با تغییر ولتاژ و فرکانس، سرعت و گشتاور موتور القایی را کنترل می کند.

اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

تاریخچه اینورتر یا همان درایو فرکانس متغیر (VFD)

تسلا برای اولین بار موتور القایی جریان متناوب سه فاز را در سال 1888 معرفی کرد، او پی برد که این اختراع کارآمدتر و قابل اعتمادتر از موتور جریان مستقیم (DC) ادیسون است. با این وجود، کنترل سرعت موتور AC نیازمند تغییر شار مغناطیسی یا تغییر در تعداد قطب های موتور است. حتی دهه ها پس از فراگیر و جهانی شدن استفاده از موتور القایی، تغییر فرکانس برای کنترل سرعت همچنان یک کار خیلی سخت بود. و ساختار فیزیکی موتور به تولید کنندگان اجازه نمی داد که موتوری با بیش از دو سرعت بسازند. موتورهای دو سرعته هم یا ساختار دو سیم پیچ مجزا داشتند و یا دالاندر بودند.

در نتیجه، موتورهای DC در جاهایی که به کنترل سرعت دقیق و توان نسبتا زیاد نیاز بود مورد استفاده بودند. در مقایسه با الزامات کنترل سرعت در موتورهای AC، کنترل سرعت موتور DC به راحتی توسط کنترل ولتاژ آرمپچر یا با استفاده از یک رئوستا با کنترل جریان میدان آن انجام می شد و کاملا با تکنولوژی موجود آن زمان همخوانی داشت. این کنترل ساده موتور، سرعت و گشتاور را کنترل می کرد و برای دهه های متوالی اقتصادی ترین روش کنترل سرعت بود.

در دهه 1980، تکنولوژی درایو (اینورتر) موتور AC به مقدار کافی در دسترس قرار گرفت و به مقداری ارزان شد که با کنترل موتور DC سنتی قابل رقابت گردید. این درایوهای فرکانس متغیر (VFDs) یا همان اینورترها بصورت دقیق سرعت موتورهای القایی AC یا سنکرون را کنترل می کنند. با درایوها، کنترل سرعت با گشتاور کامل از سرعت صفر تا حداکثر سرعت نامی موتور امکان پذیر است و در صورت نیاز، در سرعتهای بالاتر از سرعت نامی با کاهش گشتاور انجام می شود. درایو فرکانس متغیر فرکانس ولتاژ خروجی را تغییر می دهد. در ابتدا جریان AC ورودی را با یکسو کردن به جریان DC تبدیل می کند و سپس با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس ولتاژ یک شکل موج خروجی ولتاژ و جریان AC می سازد. به هر حال، این فرآیند تبدیل فرکانس باعث 2% تا 3% تلفات بصورت حرارت در درایو فرکانس متغیر می شود. حرارتی که باید دفع گردد. این فرآیند باعث سوزنهای (spikes) اضافه ولتاژ و ایجاد اعوجاج هارمونیکی می شود.

انواع مختلف درایو فرکانس متغیر

سه نوع مختلف از جود دارند. VFD ها و اینورترهای منبع جریان (CSI) با موفقیت در پردازش سیگنال و کاربردهای برق صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند. درایو های فرکانس متغیر CSI تنها نوعی هستند که تونایی بازتولید برق را دارند. به عبارت دیگر، آنها می توانند انرژی برگشتی از موتور به سمت منبع تغذیه را جذب کنند. درایوهای فرکانس متغیر CSI شکل موج جریان خیلی تمیزی را می دهند اما در ساختار خود نیاز به سلف های گران قیمت دارند و باعث کاگینگ (ضربانهای حرکتی در حین دوران) در زیر 6 Hz می شوند.

درایوهای با اینورتر منبع ولتاژ (VSI) ضریب توان کمی دارند که می تواند باعث کاگینگ موتور در زیر 6 Hz شود و قابلیت بازتولید انرژی را هم ندارند. از اینرو، درایو CSI و VSI به طور وسیع استفاده نمی شوند.

درایوهای فرکانس متغیر (اینورتر) مدولاسیون پهنای پالس به متداول ترین نوع مورد استفاده در صنایع هستند بدلیل ضریب توان ورودی عالی ناشی از ولتاژ باس DC ثابت، بدون کاگینگ در موتور، راندمانهای بالاتر و هزینه پایین تر.

مدولاسیون پهنای پالس اینورتر 

یک اینورتر یا درایو فرکانس متغیر PWM برای شبیه سازی موج سینوسی، از یک سری پالسهای ولتاژی استفاده می کند که طول مختلفی دارند. بطور ایده آل، پالسها به گونه ای زمان بندی شده اند که متوسط مجموع آنها یک موج سینوسی کامل را بدهد. روش متداول تولید این شکل موج ایجاد یک موج مثلثی و سینوسی و گذراندن آنها از طریق یک مقایسه کننده است. پالس ولتاژ خروجی تا هنگامی که مقدار موج سینوسی بزرگتر از موج مثلثی است خروجی می دهد. عنصر متداول الکتریکی منتخب برای تولید پالس ولتاژ ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده (IGBT) است. گرچه از SCR ها نیز می توان استفاده کرد. در آینده ای نزدیک، از IEGT ها (injection-enhanced gate transistors) برای انجام این کار استفاده می کنند.

 درایو فرکانس متغیر یا Variable Frequency Drive که به صورت مخفف VFD نامیده می شود، نوعی کنترل کننده موتور است که با تغییر دادن فرکانس و ولتاژ اعمال شده به الکتروموتور آن را به گردش در می آورد. نامهای دیگر VFD :درایو سرعت متغیر، درایو سرعت قابل تنظیم، درایو فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، میکرودرایو و اینورتر هستند. فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPM) مرتبط است. به عبارت دیگر، فرکانس بیشتر باعث گردش سریعتر موتور و افزایش RPM می شود. اگر یک کاربرد نیاز ندارد که موتور در سرعت کامل نامی خود کار کند ، VFD را می توان جهت کاهش فرکانس و ولتاژ، برای تطبیق با نیازمندی های بار موتور الکتریکی مورد استفاده قرار داد. اگر کاربری سرعت مورد نیازش تغییر کند، VFD به آسانی با افزایش یا کاهش سرعت موتور می تواند موتور را با این نیاز تطبیق دهد.

اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

اولین طبقه اینورتر AC، کانورتر (مبدل) است. کانورتر شامل ۶ عدد دیود است که شبیه شیر یک طرفه در سیستم های لوله کشی عمل می کنند. این دیودها اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت که با پیکان در نماد دیود مشخص شده است جاری شود. برای مثال، هنگامی که ولتاژ فاز A (ولتاژ، مشابه با فشار در سیستم های لوله کشی است) مثبت تر از ولتاژ فازهای B یا C است آنگاه دیود آن باز شده و جریان برقرار می شود. هنگامیکه فاز B مثبت تر از فاز A شود سپس دیود فاز B باز خواهد شد و فاز A بسته می شود. این موضوع برای دیودهایی که در بخش منفی باس قرار دارند نیز برقرار و صادق است.در اینصورت، ما با خاموش و روشن شدن هر دیود ۶ پالس جریان را داریم. این روش VFD شش پالس نامیده می شود، که ترکیب استاندارد برای اینورتر جریان است.

اینورتر شش پالس

برای مثال فرض کنیم که اینورتر در یک سیستم قدرت ۴۸۰V کار می کند. ۴۸۰V ولتاژ موثر (rms) است. پیک ولتاژ در یک سیستم ۴۸۰V مقدار ۶۷۹ ولت است. همان طور که می بینید، باس dc اینورتر دارای یک ولتاژ dc با ریپل AC است. ولتاژ تقریبا بین ۵۸۰V و ۶۸۰V نوسان می کند.

باس دی سی یک اینورتر

ما می توانیم با اضافه کردن یک خازن بر روی باس DC از ریپل AC خلاص شویم. یک خازن مانند یک مخزن یا انباره در سیستم لوله کشی عمل می کند. این خازن ریپل AC را جذب کرده و یک ولتاژ صاف تحویل می دهد. ریپل AC بر روی باس DC نوعا کمتر از ۳ ولت است. بنابراین، ولتاژ روی باس DC تقریبا ۶۵۰VDC می شود. ولتاژ حقیقی بستگی به عواملی مانند سطح ولتاژ خط AC تغذیه کننده اینورتر ، سطح عدم تعادل ولتاژ روی سیستم قدرت، بار موتور، امپدانس سیستم قدرت، و هر راکتور یا فیلتر هارمونیکی که بر روی اینورتر قرار گرفته اند. دارد. مبدل پل دیود که ولتاژ AC را به DC تبدیل می کند. بعضی اوقات تنها با عنوان کانورتر شناخته می شود. مبدلی که ولتاژ DC را به ولتاژ AC بر می گرداند نیز یک کانورتر است، اما برای تمایز دادن از مبدل دیودی، با عنوان اینورتر شناخته می شود. در صنایع متداول شده است که هر مبدلی که DC را به AC تبدیل می کند به عنوان اینورتر شناخته می شود.

 مدار کلی یک اینورتر

توجه کنید که در یک VFD واقعی، سوئیچهای نشان داده شده در عمل ترانزیستور هستند.   وقتی ما یکی از کلیدهای بالایی اینورتر را می بندیم. فازی از موتور که به آن متصل است به مثبت باس DC متصل می گردد و ولتاژ مثبت روی آن فاز می افتد. و هنگامی که یکی از کلیدهای پایینی را در اینورتر می بندیم. فاز به منفی باس dc متصل شده و ولتاژ آن منفی می شود. بدین سان، ما می توانیم هر فازی را که می خواهیم مثبت یا منفی کنیم و بدین تزتیب فرکانس مورد نظر خود را تولید نماییم. ما می توانیم هر فاز را مثبت، منفی یا صفر کنیم.  

خروجی اینورتر PWM

 موج سینوسی آبی رنگ تنها برای مقایسه نشان داده شده است. اینورتر یا VFD در حالت واقعی این موج سینوسی را تولید نمی کند. توجه کنید که خروجی از VFD یک شکل موج مستطیل شکل است. VFD ها خروجی سینوسی تولید نمی کنند. این شکل موج مربعی انتخاب خوبی برای سیستم توزیع توان نیست، اما برای استفاده در موتور کاملا مناسب است. اگر ما بخواهیم فرکانس موتور را به ۳۰Hz کاهش دهیم، آنگاه ما به راحتی خروجی اینورتر را خیلی آهسته تر سوئیچ زنی می کنیم. اما، اگر ما فرکانس را به ۳۰Hz کاهش دهیم، آنگاه به منظور ثابت نگه داشتن نسبت V/Hz بایستی ولتاژ را به ۲۴۰V کاهش دهیم. ( به تئوری اینورتر V/F ثابت مراجعه کنید). چگونه ما خواهیم توانست ولتاژ را کاهش دهیم در حالی که تنها ولتاژی که داریم ولتاژ باس ۶۵۰VDC است؟ این کار مدولاسیون پهنای پالس نامیده می شود. تصور کنید که ما بتوانیم فشار آب مسیر را با باز و بسته کردن بسیار سریع شیر موجود، کنترل کنیم. ذر حالیکه انجام این کار در سیستم های لوله کشی عملی نخواهد بود، به خوبی در مورد VFD ها به کار گرفته می شود. توجه کنید در طی نیم سیکل اول، در نصف زمانهای یک سیکل ولتاژ را در خروجی داریم و در نیم سیکل دیگر ولتاژی نداریم. از اینرو، متوسط ولتاژ خروجی ۲۴۰V، معادل نصف ولتاژ باس تغذیه ۴۸۰V است. با کنترل پالسهای خروجی، می توانیم هر ولتاژ متوسطی که بخواهیم بر روی خروجی VFD ایجاد کنیم.

 در شکل زیر یک اجزای داخلی یک اینورتر را مشاهده می کنید.

اجزای داخلی یک اینورتر

اینورتر فوق مقداری قدیمی است. اما اجزای آن بطور مشخصی واضح هستند. در برخی اینورترهای جدید بخشهای اسنابر، مدارات گیت درایو و سوئیچهای ترانزیستوری (معمولا IGBt هستند) را در یک مجموعه قرار داده اند. در برخی اینورترها سوئیچهای خروجی و دیودهای ورودی نیز در یک مجموعه مجتمع شده است. مدار کنترل کوچکتر شده و در پردازنده های کوچک تجمیع شده است. و واسط کاربری نیز ساده ترشده و با استفاده از صفحه نمایش دیجیتال با کاربر ارتباط برقرار می کند.

چرا باید از اینورتر استفاده کنیم؟

کاهش مصرف انرژی و هزینه های آن

اگر کار مورد نظر شما نیاز ندارد که موتور با تمام سرعت حرکت کند، می توانید با یک اینورتر سرعت آن را کنترل کرده و هزینه های خود را کاهش دهید. این فقط یکی از مزایای استفاده از اینورتر است. به کمک اینورتر می توانید سرعت موتور را نسبت به باری که روی آن است تنظیم کنید. روش دیگریبرای کنتر موتور AC وجود ندارد که بتوانید با آن این کارها را انجام دهید.
امروزه بیش از 65 % مصرف انرژی در صنایع مربوط به الکتروموتور ها می باشد. بهینه سازی کنترل موتور ها با نصب اینورتر می تواند بیش از 70% مصرف انرژی آنها را کاهش دهد علاوه بر آن استفاده از اینورتر کیفیت محصولات را افزایش و هزینه های تولید را کاهش می دهد. تخفیفات مالیاتی برای مصرف بهینه انرژی و تخفیفات دیگر باعث می شوند که سرمایه گذاری برای خرید اینورتر در کمتر از 6 ماه بازگردد.

افزایش تولید به کمک کنترل دقیق تر

اگر الکتروموتورها با سرعت مناسب کار کنند، اشتباهات کمتری در خط تولید رخ می دهد، سطح تولید افزایش پیدا می کند و در نتیجه ی آن در آمد شما افزایش پیدا می کند. تمیز کردن آلودگی های نوار نقاله ها و مخصوصا اطراف موتور ها می تواند نقش موثری در افزایش بهره وری از موتورها داشته باشد.

افزایش طول عمر و کاهش تعمیر و نگهداری تجهیزات

استفاده از اینورتر که سرعت بهینه الکتروموتورها را تنظیم می کند باعث افزایش طول عمر دستگاه و کاهش زمان تعطیلی به خاطر تعمیرات می شود. اینورتر ها بخاطر کنترل بهینه فرکانس و ولتاژ می توانند موتور شما را در برابر آسیب هایی مثل اضافه بار های الکتریکی، اتصال فاز به فاز، ولتاژ پایین، ولتاژ بالا و ... حفاظت کنند.
وقتی یک الکتروموتور را با اینورتر راه اندازی می کنید دیگر نباید نگران شوک لحظه راه اندازی باشید چرا که اینورتر موتور را به آرامی راه اندازی می کند و در نتیجه این شوک به نوار نقاله ها، گیربکس ها، بلبرینگ ها و سایر تجهیزات نیز وارد نمی شود. همچنین یک روش بسیار مناسب برای کاهش ضربه قوچ (آن گونه که نامیده می شود) است. چون که می تواند سیکلهای شتاب گیری و شتاب دهی خیلی نرم داشته باشد.

مرجع:

https://instrumentationtools.com

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code