اینورتر چیست، انواع آن کدامند و چه کاربردی دارد؟

اینورتر (inverter) یک دستگاه کنترل کننده سرعت موتور است که در انواع موتورها به ویژه موتورهای با سرعت متغیر استفاده می‌شود. تفاوت آن با سافت استارتر این است که اینورتر، ولتاژ DC را به AC و مجدداً به AC با مقدار مورد نظر برمی‌گرداند؛ اما سافت استارتر، ولتاژ AC را توسط تریستور تنظیم می‌کند. انواع اینورتر به صورت سه فاز و تک‌فاز و به صورت اینورترهای فرکانس بالا و فرکانس پایین تولید می‌شود. خروجی این دستگاه های معکوس کننده ولتاژ به صورت موج‌های SW، PSW و MSW است. کاهش مصرف برق، عملکرد بهینه موتور و افزایش طول عمر آن، از مزایای inverter هاست. ایجاد اعوجاج هامورنیک در منبع خروجی (گاهی اوقات) از معایب اینورتر است. از کاربردهای inverter می‌توان به استفاده از آن در دستگاه‌های جوشکاری، تجهیزات انرژی خورشیدی، کولر و دستگاه‌های تهویه مطبوع اشاره کرد. قیمت اینورتر به دلیل فنی‌تر بودن و مزایای بیشتر، نسبت به همتای خود یعنی سافت استارتر بالاتر است.

اینورتر چیست؟

به دستگاه کنترل کنندۀ اتوماتیک سرعت موتور که با تبدیل جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) کار خود را انجام می‌دهد اینورتر می‌گویند. inverter یک واژۀ لاتین به معنای “معکوس کننده” و “برگرداننده” است. علت نامگذاری و انتخاب واژۀ inverter برای این دستگاه‌ها آن است که جریان الکتریکی را از مستقیم به متناوب برمی‌گرداند. ولتاژ AC در تغذیه تجهیزات الکترونیکی و الکتریکی مفید است. اینورترها ولتاژ AC را از منابع برق DC فراهم می‌کنند. در این دستگاه‌ها از نیمه هادی‌ها استفاده می‌شود. مصرف انرژی آن‌ها کم و راندمان‌شان بالاست. همچنین شما می‌توانید ولتاژ، فرکانس و توان تولیدی دستگاه را بر حسب نیاز کاری خود تنظیم و تعیین کنید.

در دستگاه های inverter بخشی به نام درایو وجود دارد. درایوها این قابلیت را دارند که سرعت بهینه موتور دستگاه شما را تعیین کنند و آن را کاهش یا افزایش دهند. در درایوها، مدارها بر اساس تکنولوژی سوئیچینگ و نوع سوئیچ، فرکانس و شکل موج خروجی طبقه بندی می‌شوند. تکنولوژی سوئیچینگ دستگاه‌های درایو، در مراحل معکوس منبع تغذیه بسیار کاربردی و مورد نیاز است.

کاربرد اینورتر

از اینورترها به طور گسترده‌ای در کاربردهای خانگی، اداری، تجاری و صنعتی و سیستم های شبکه‌ای بزرگ استفاده می‌شود. استفاده از این دستگاه به ویژه در فصولی که با کمبود برق و نوسانات ولتاژ ناشی از این کمبود مواجه هستیم، بسیار کارآمد است. این محصول در ساخت و تولید وسایل خانگی از جمله آسانسورها، یخچال‌ها، ماشین لباسشویی، کاربرد دارد. برخی دیگر از کاربردهای درایورها عبارتست از:

1. استفاده جهت پمپاژ آب با حجم بالا.
2. استفاده در دستگاه‌های درایو فرکانس متغیر.
3. راه اندازی پمپ شناور در چاه های بسیار عمیق.
4. به عنوان تجهیزات مستقل برای کاربردهایی مانند انرژی خورشیدی.
5. استفاده به عنوان یک منبع تغذیه پشتیبان برای باتری‌هایی که قابل شارژ هستند.
6. استفاده در الکتروموتورهای AC سنکرون سه فاز.
7. استفاده در ساخت ماشین آلات صنعتی از جمله دستگاه های جوشکاری و دستگاه های خم و برش.
8. با استفاده از درایو می‌توانیم ولتاژ خروجی و فرکانس خروجی را کنترل کنیم. از این رو، این دستگاه‌ها به طور گسترده‌ای برای کنترل سرعت چرخش موتورهای AC و موتورهای بدون جاروبک کاربرد دارد.

انواع اینورتر

دستگاه‌های معکوس کنندۀ جریان الکتریکی، انواع مختلفی دارند که هر کدام امواج خروجی با شکل و پیکربندی خاص خود را داشته و کارایی، مزایا و معایب خاص خود را دارند. این محصولات همچنین به لحاظ سرعت چرخش موتور و نوع فاز ورودی، دسته بندی می شوند.

1. انواع inverter به لحاظ سرعت چرخش موتور.
2. انواع inverter به لحاظ شکل موج خروجی.
3. انواع inverter به لحاظ فاز الکتریکی.

1- انواع inverter به لحاظ سرعت موتور

میزان سرعت چرخش موتور، موجب ایجاد فرکانس های مختلف در دستگاه می‌شود. بر این اساس، انواع اینورتر را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1. فرکانس بالا.
2. فرکانس پایین.

فرکانس به طور مستقیم با چرخش موتور مرتبط است. بنابراین، هرچه فرکانس دستگاه شما بالاتر باشد، دور موتور دستگاه‌تان نیز بالاتر خواهد بود. واحد فرکانس هرتز (Hz) است و دور موتور به صورت چرخش یا “دور در دقیقه” (RPM) بیان می‌شود.

2- انواع اینورتر به لحاظ شکل موج خروجی

دستگاه های inverter به لحاظ شکل موج خروجی به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:

1. اینورترهای با موج خروجی مربع شکل (square wave)
2. دستگاه های با موج خروجی سینوسی (PSW/ pure sine wav)
3. اینورترهای با موج سینوسی اصلاح شده. (MSW/ modified sine wave)
4. دستگاه های با موج خروجی PWM

بهینه‌ترین و پیشرفته‌ترین خروجی دستگاه‌های inverter، خروجی PWM است. در مقابل، ساده‌ترین موج خروجی، امواج مربع شکل است. قیمت اینورترهایی که خروجی‌شان مربعی باشد، پایین‌تر است. این دستگاه‌ها به لحاظ کیفی نیز در سطح پایین‌تری قرار دارند. موج‌های مربعی را می‌توان اصلاح کرد. نتیجۀ این اصلاح، پالس‌های مستطیل شکلی است که بین نیم سیکل مثبت و نیم سیکل منفی، نقاط مرده دارند (THD حدود 24 درصد). موج مربعی اصلاح شده کیفیت توان بهتری ارائه می‌دهد (THD~ 45%) و برای اکثر تجهیزات الکترونیکی مناسب است. در شکل زیر، تصویری از یک موج مربعی و یک موج مربعی اصلاح شده نشان داده شده است.

اینورترهای موج سینوسی حقیقی گران‌ترین نوع اینورترهای موجود در بازار هستند. زیرا بهترین شکل موج را با کمترین THD (در حدود 3%) ارائه می‌دهند. از این نوع معکوس کننده‌ها برای تجهیزات پزشکی، استریو، چاپگرهای لیزری و سایر کاربردهایی که نیاز به شکل موج سینوسی دارند، استفاده می‌شود. همچنین در دستگاه‌های اتصالات شبکه و تجهیزات متصل به شبکه کاربرد دارند.

امواج مربع شکل را می‌توان با استفاده از فیلتر، به امواج سینوسی تبدیل کرد. اما عملکردشان به اینورترهایی که موج سینوسی خالص و واقعی دارند، نمی‌رسد. در شکل زیر، نموداری از امواج دستگاه‌های معکوس کننده‌ سینوسی واقعی را می‌بینید.

3- انواع اینورتر به لحاظ فاز

تمامی انواع اینورترهایی که در بالا نام برده شد، به لحاظ الکتریکی، در دو حالت فازی تولید می‌شوند:

1. تکفاز
2. سه فاز

اینورترهای تک فاز معمولاً برای استفاده در دستگا‌هایی که کاربردهای خانگی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد. انواع سه فاز نیز در دستگاه های صنعتی استفاده می‌شود. بنابراین، توجه به تکفاز و سه فاز بودن درایو با توجه به نیاز و شرایط کاری‌تان مهم است و در زمان خرید اینورتر باید آن را مد نظر داشته باشید. در مورد برق‌های تکفاز، ورودی اینورتر نیز باید تکفاز و 220 ولت باشد.

inverterهای سه فاز، از سه مبدل تکفاز ساخته شده‌اند که همگی به یک منبع متصل هستند. عملکرد اینورترهای سه فاز با توجه به زمان هدایت تریستور در دو مد 120 و 180 درجه تعریف می‌شود.

اجزای اینورتر

دستگاه های معکوس کننده ولتاژ، از بخش های مختلفی تشکیل می‌شوند. مهمترین اجزای این دستگاه‌ها عباراتند از:

• مبدل تغذیه: ولتاژ ورودی به دستگاه، در مبدل تغذیه تجمع پیدا کرده و ذخیره می شود. مبدل تغذیه وظیفه تأمین انرژی مورد نیاز اینورترها را دارد.
• کنترل کننده: وظیفۀ کنترل عملکرد کلی دستگاه inverter را بر عهده دارد.
• فیلترها و اصلاح کننده‌ها: وظیفۀ بهبود کیفیت جریان ولتاژ و کاهش نویز در خروجی‌ها را بر عهده دارد.
• سنسورها و بازخورد: اطلاعات خروجی اینورتر، توسط سنسورها دریافت می‌شود تا بدین ترتیب، اطلاعاتی از بازخورد دستگاه به دست آید. انواع سنسورهای موجود در دستگاه عبارتند از سنسورهای جریان، ولتاژ و سنسور دما.
• حفاظت پیشرفته: این بخش، وظیفه حفاظت در برابر افزایش دما، افت ولتاژ و جریان بیش از حد را دارد.
• رابط ها: برای ارتباط inverter با دستگاه های دیگر، رابط های مختلفی را در آن تعبیه می‌شود. رابط ها نقش قابل توجهی در بهینه سازی انرژی دارند. رابط ها انواع مختلفی دارند؛ از جمله: Ethernet، RS-485 و RS-232.
• مبدل DC به AC: بخش اصلی دستگاه‌های اینورتر را تشکیل می‌دهد. وظیفۀ آن، تبدیل ولتاژ DC به AC است.

مدارهای اصلی در دستگاه های معکوس کننده

مدارهای اصلی شامل یک نوسان ساز یا اُسیلیتور (oscillator)، مدار کنترل، مدار درایو برای دستگاه‌های قدرت، سوئیچینگ و یک ترانسفورماتور است.

تبدیل AC به ولتاژ متناوب با تبدیل انرژی ذخیره شده در منبع dc مانند باتری، یا از خروجی یکسو کننده، به ولتاژ متناوب صورت می‌گیرد. این کار با استفاده از دستگاه‌های سوئیچینگ که به طور مداوم روشن و خاموش می‌شوند و سپس با استفاده از ترانسفورماتور افزایش می‌یابد انجام می‌شود. ممکن است در برخی سیستم‌ها از ترانسفورماتور استفاده نشود که البته این مورد به نادر است.

ولتاژ ورودی DC توسط ماسفت ها (MOSFET) و یا ترانزیستورهای قدرت و پالس‌هایی که به سمت ترانسفورماتور تغذیه می‌شوند روشن و خاموش می‌شود. ولتاژ متغیر اولیه باعث ایجاد ولتاژ متناوب در سیم پیچ ثانویه می‌گردد. ترانسفورماتور همچنین به عنوان یک تقویت کننده عمل می‌کند؛ به این ص

ورت که ولتاژ خروجی را با یک نسبت معین افزایش می‌دهد. در بیشتر موارد، ولتاژ خروجی از 12 ولت استاندارد، توسط باتری‌ها به 120 ولت یا 240 ولت AC افزایش می‌یابد.

مدارهای خروجی اینورتر که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارتند از:

1. push-pull با ترانسفورمر مرکزی
2. فشار-کشش نیم پل (push-pull half-bridge)
3. فشار – کشش کامل پل (push-pull full bridge)

گزینه اول به دلیل سادگی و نتایج تضمین شده محبوبیت بیشتری دارد. اما به دلیل آنکه در آن از ترانسفورماتور سنگین‌تری استفاده می‌شود، راندمان پایین‌تری دارد. در شکل زیر، مدار اینورتر push-pull ساده مبدل DC به AC با مدار ترانسفورمر مرکزی نشان داده شده است.

طرز کار اینورتر چگونه است؟

در بخش قبل، اجزای اصلی دستگاه های معکوس کننده معرفی کردیم. در این قسمت، در مورد طرز کار اینورتر به طور مختصر توضیح داده ایم.

در بین منبع تغذیه و موتور الکتریکی دستگاه های معکوس کننده، درایوی به نام درایو AC تعبیه شده است. طرز کار اینورتر به این صورت است که در ابتدا برق به درایو AC می‌رود و این درایو آن را تنظیم می‌کند. سپس قدرت تنظیم شده به موتور ارسال می‌شود. درایو AC از یک واحد یکسو کننده، یک مدار میانی DC و یک مدار تبدیل معکوس تشکیل شده است. واحد یکسو کننده داخل درایو AC می تواند یک طرفه یا دو طرفه باشد. یکسو کننده یکطرفه، می تواند با گرفتن انرژی از شبکه الکتریکی، در موتور شتاب ایجاد کرده و آن را راه اندازی کند. یکسو کننده دو طرفه می‌تواند انرژی چرخش مکانیکی را از موتور گرفته و به سیستم الکتریکی بازگرداند. مدارهای DC می توانند توان الکتریکی را برای واحد تبدیل معکوس ذخیره کنند.

قبل از اینکه برق تنظیم شده توسط موتور دریافت شود، در داخل درایو AC فرآیندی را طی می کند. برق ورودی به واحد یکسو کننده می‌رود و ولتاژ AC به ولتاژ DC تبدیل می‌شود. مدار میانی DC ولتاژ DC را نرم و از حالت هجومی خارج می‌کند. سپس در مدار تبدیل معکوس جریان می‌یابد تا ولتاژ DC را دوباره به ولتاژ AC تبدیل کند.

این فرآیند به درایو AC اجازه می‌دهد تا فرکانس و ولتاژ عرضه شده به موتور را بسته به نیاز کاری، تنظیم کند. هنگامی که ولتاژ خروجی در فرکانس بالاتری باشد، سرعت موتور افزایش می یابد. به این ترتیب، می‌توان سرعت موتور را توسط اپراتور کنترل کرد. درایو AC با کنترل دقیق گشتاور، جریان راه اندازی را کاهش می‌دهد و این باعث افزایش عمر موتور می‌گردد. درایو AC همچنین اختلالات ناشی از قطع و نوسان برق که در خطوط برق ایجاد می‌شود و در پی آن، کاهش ولتاژ را با حذف برق از موتور (به جای خاموش شدن موتور) از بین می‌برد.

انواع درایو AC مورد استفاده در دستگاه های inverter

با توجه به اینکه درایو AC نقش مهمی در کارکرد اینورترها دارد، خوب است با انواع آن نیز آشنا شوید. در دستگاه های معکوس کننده، از دو نوع درایو AC استفاده می‌شود:

1. درایو AC ولتاژ پایین (Low Voltage) یا به اختصار LV
2. درایو AC ولتاژ متوسط (Medium Voltage) یا به اختصار MV

هر کدام از این درایوها ویژگی های خاص خود را دارند که در ادامه بیان شده است.

درایو AC ولتاژ پایین در دستگاه های معکوس کننده

اینورترهایی که درایوهای ولتاژ پایین دارند، برای موتور دستگاه هایی مثل تسمه نقاله، کمپرسورها و پمپ‌ها استفاده می‌شوند. درایوهای ولتاژ پایین مشخصه های زیر را دارند.

• خروجی درایوهای ولتاژ پایین 240 تا 600 ولت جریان متناوب (VAC) است.
• درایوهای LV استرس کمتری به موتور وارد می‌کنند؛ در نتیجه استهلاک، تعمیر و نگهداری موتور به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• فرکانس بالا و عملکرد بهتر موتور در ولتاژ پایین ارائه می‌دهد.

ولتاژ پایین جریان بیشتری ایجاد می‌کند. اگر درایوهای LV با ماشین‌های اسب بخار بالا (HP) استفاده شود، گرمای بیشتری تولید می‌کند و دمای محیط را افزایش می‌دهد. جریان بیشتر به معنای گرمای تولید شده بیشتر است. به همین دلیل، در استفاده از درایوهای ولتاژ پایین، نصب دریچه‌ها و تهویه مطبوع ضروری است.

درایو ولتاژ متوسط در دستگاه های اینورتر

برای موتورهای الکتریکی عظیم و چند مگاواتی موجود در نیروگاه‌ها و کارخانه‌های فراوری فلزات، از اینورترهایی استفاده می‌شود که دارای درایو ولتاژ متوسط باشند. درایوهای ولتاژ متوسط دارای مشخصه‌های زیر است.

• خروجی آنها 4160 VAC است اما می‌توانند تا 69000 VAC نیز بروند.
• آنها برای دستیابی به ولتاژ خروجی بالا به ولتاژ ورودی بالا نیاز دارند.
• درایوهای ولتاژ متوسط به بریکرها و ترانسفورماتورهای بزرگتر و گران قیمت نیاز دارند.
• در مقایسه با درایوهای LV بزرگتر هستند و فضای بیشتری اشغال می‌کنند.
• نیاز به مراقبت داشته و لازم است زیر نظر یک مهندس OEM تحت تعمیر و نگهداری منظم قرار داشته باشند.

مزایا و معایب اینورتر

مزیت ها

1. کاهش مصرف برق.
2. کاهش اختلالات خطوط برق.
3. بهینه سازی عملکرد موتور و در نتیجه افزایش طول عمر موتور و کاهش هزینه‌های ناشی از تعمیر و تعویض موتور.
4. تامین یک منبع تغذیه پشتیبان در هنگام قطع برق، خاموشی یا مواقع اضطراری.
5. قابلیت استفاده در مکان‌های دور افتاده و خارج از شبکه.
6. تثبت ولتاژ در هنگام قطع برق یا نوسانات ولتاژ.
7. قابلیت راه اندازی موتور در سرعت و فرکانس پایین.
8. تنظیم شتاب و سرعت موتور توسط اپراتور.
9. حذف اجزای محرک مکانیکی
10. درایو AC موجود در اینورترها، می تواند سرعت کم یا زیاد مورد نیاز بار را بدون تجهیزات و گیربکس‌های افزایش یا کاهش سرعت، ارائه دهد. این امر باعث صرفه جویی در هزینه های تعمیر و نگهداری می‌شود.

معایب

1. inverterها حجم و وزن بالایی دارند و از این نظر ممکن است محدودیت‌هایی برای استفاده در برخی شرایط و مکان‌های کوچک داشته باشند.
2. گاهی اوقات، اعوجاج هارمونیک در منبع خروجی ایجاد می‌کند. اثر این اعوجاج، آسیب رساندن به دستگاه‌های متصل است.
3. قابلیت نصب inverter های بزرگ چندان آسان نیست.
4. برای نصب آن به تخصص فنی نیاز است.
5. نیاز به چکاپ منظم و دوره‌ای دارند.
6. قیمت خرید اینورترها بالاست.

تفاوت اینورتر با سافت استارتر

inverter و سافت استارتر هر دو برای راه اندازی موتورهای الکتریکی به دور از جریان‌های همجومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، عملکرد هر دو دستگاه برای راه اندازی موتور، مبتنی بر نیمه هادی هاست. گرچه قیمت اینورتر نسبت به سافت استارتر بالاتر است، اما شرایطی وجود دارد که می‌بایست حتما از inverter استفاده کرد و استفاده از آن اجتناب ناپذیر است. به عنوان مثال، در شرایطی که چپگرد و راستگرد کردن موتور الزامی باشد، شما ملزم به استفاده از inverter خواهید بود. زیرا سافت استارترها چنین قابلیتی ندارند. تفاوت های دیگری نیز بین اینورتر و سافت استارتر وجود دارد. این تفاوت‌ها در جدول زیر درج شده است.