اینورتر چگونه کار می کند؟
اینورتر چیست و چه کار می کند؟
در ابتدای مقاله طرز کار اینورتر به شما این دستگاه را به طور کامل معرفی می کنیم؛ فقط لازم است بدانید که انواع در بازار موجود می باشد و ما در اینجا یک طرز کار کلی را برای شما نوشته ایم. اینورتر ها و یا مبدل‌های الکتریکی، توانایی تغییر فرکانس یا سطح ولتاژ برق وروردی را دارند و به کمک آنها می توان برق با کیفیت مناسب جهت شارژ دستگاه‌های الکتریکی را تامین کرد. برق تولیدی حاصل از سلول های خورشیدی، توربین های بادی و یا سایر انرژی های نو، به وسیله اینورترها آماده مصرف و بهره برداری می شوند که با توجه به رویکرد دولت ها، اهمیت آنها بیش از پیش شده است. به طور کلی اینورتر ها را می توان به دو دسته کلی زیر تقسیم کرد:
تعمیر اینورتر: همان طور که از نام گروه اول مشخص است، اینورترهای متصل به شبکه، توانایی اتصال به برق شهری یا شبکه قدرت را دارند و معمولا به منظور مدیریت مصرف انرژی استفاده می شوند. همین طور این دستگاه ها به منظور برق پشتیبان در منازل و ادارات استفاده می شود که در این صورت قطعا همراه با پک باتری می باشند.
نوع جدا شبکه نیز برای مصارفی همچون سلول های خورشیدی که قرار نیست به شبکه متصل شوند استفاده می شوند و به منظور تامین برق به صورت شخصی استفاده می شوند. معمولا اینورترهای متصل به شبکه، به شبب قابلیت ها و سیستم های حفاظتی ای که دارند، گرانتر می باشند. بنابراین در این مقاله به بررسی نحوه عملکرد اینورترها خواهیم پرداخت. اینورترها به طور کلی از اجزای اصلی زیر تشکیل شده اند:
به بخش اصلی مقاله یعنی نحوه کار اینورتر رسیدیم. اینورتر با دریافت انرژی الکتریکی از یک پک باتری و یا خازن های لینک دی سی، برق دی سی را به برق متناوب با فرکانس و سطح ولتاژ مشخص تبدیل می کند. این عمل به وسیله خاموش و روشن شدن پیوسته کلیدهای قدرت انجام می شود. در واقع سمت اولیه ترانسفرمر به کار رفته در دستگاه اینورتر به وسیله پالس های الکتریکی که این پالس ها نیز به وسیله روشن و خاموش شدن ماسفت ها و یا ای جی بی تی ها و یا سایر کلیدهای الکترونیک قدرت تولید می شوند، شارژ می شود.
این پالس های متناوب باعث ایجاد یک شارپیوندی متناوب بین سیم پیچ های سمت اولیه و ثانویه ترانسفرمر می شوند. لازم به ذکر است که اگر مورد نظر به صورت افزاینده مدنظر است، در این قسمت با توجه به ولتاژ مورد نیاز، نسبت تعداد دور سمت اولیه و ثانویه ترانسفرمر تعیین می شود.
در ادامه شار پیوندی تولید شده، ولتاژ متناوب در سمت ثانویه ترانسفرمر القا می کند و نهایتا پس از شبکه جبرانساز، ولتاژ به ترمینال های خروجی تحویل داده می شود. اما روند توضیح داده شده، پروسه کلی تولید ولتاژ با فرکانس مطلوب در اینورترهای تک فاز و بود و بسته به نوع کاربرد اینورترها می توانند ساختار متفاوتی داشته باشند. به منظور تحویل توان با ویژگی های مدنظر جهت شارژ یک دستگاه و یا چرخش روتور یک موتور الکتریکی، اینورترها معمولا از کنترل پهنای پالس (Pulse Width Modulation) استفاده می کنند که در ادامه به بررسی آن پرداخته می شود.
کنترل به روش PWM
در واقع برای کنترل به روش PWM به دو موج کنترلی نیاز داریم؛ یکی موج کنترلی که با توجه به فیدبکی از خروجی می گیریم این موج تولید می شود و دومی موج حامل (carrier) می باشد. با مقایسه ی این دو موج، یک موج مربعی تولید می شود که با توجه به سیگنال فیدبک، هارمونیک اصلی موج تولید شده (به وسیله کلید زنی ماسفت ها و یا IGBT ها) معمولا سینوسی می باشد.
همانطور که از شکل فوق مشاهده می شود، موج مثلثی موج حامل می باشد که فرکانس این موج، فرکانس روشن و خاموش شدن کلید ها را نشان می دهد، و هرچه بیشتر باشد طبیعتا تلفات کلیدها بیشتر می شود اما در مقابل، هارمونیک موج خروجی کمتر می شود.
همچنین، سه موج سینوسی نشان داده شده، موج های کنترلی هستند که به وسیله سیستم کنترلی دستگاه اینورتر تولید می شوند و فرکانس آنها، فرکانس هامونیک اصلی موج خروجی را تعیین می کند. اگر را به صورت زیر در نظر بگیریم، کلید زنی بدین صورت خواهد بود که هر جا موج کنترلی مربوط به فاز A از موج حامل (carrier) بیشتر شود، کلید TA+ روشن می شود و هرجا موج کنترلی مربوط به فاز B از موج حامل (carrier) بیشتر شود، کلید TB+ روشن می شود و به همین صورت برای فاز سوم این اتفاق می افتد که در نتیجه ی آن یک موج مربعی به شکل زیر تولید می شود:
حال با توجه به شکل زیر عملکرد یک را برای یک توربین بادی را در نظر می گیریم:
با توجه به سیگنال مرجع Vdc که به کنترل کننده داده می شود، اینورتر سعی بر تثبیت ولتاژ خازن صافی ورودی خودش را دارد و از طرفی دیگر با چرخش محور توربین، خازن C1 شارژ می شود و اینورتر به منظور ثابت نگه داشتن ولتاژ ورودی خود، توان دریافتی را به شبکه انتقال می دهد؛ در مورد فرکانس اینورتر نیز در بالا توضیحاتی داده شده است.
در واقع با چرخش توربین به وسیله باد، انرژی مکانیکی تحویل ژنراتور داده می شود که ژنراتور یک ولتاژ سه فاز سینوسی به یکسوساز تحویل می دهد. مبدل بوستی که بین اینورتر و ژنراتور قرار داده شده است به منظور دنبال کردن نقطه حداکثر توان می باشد.
به عبارت دیگر، با توجه به اینکه سرعت باد ثابت نیست، مبدل بوست با توجه به سرعت مرجع+ Ω وظیفه دنبال کردن نقطه کاری می باشد که بتوان حداکثر توان را دریافت کرد. مثال ذکر شده به منظور توضیح نقش اینورتر در یک سیستم صنعتی بود و اینورترها بسته به نوع کاربرد ساختارهای متفاوتی خواهند داشت و در بالا در مورد طرز کار اینورتر پل کامل توضیح داده شد، اما اینورترها توپولوژی های متفاوتی دارند.
به عنوان مثال اینوترها نوع دیگری از اینورتر ها می باشند که با استفاده از این نوع اینورترها دیگر به مبدل بوستی که در شکل بالا نشان داده شد، نمی باشد و اینورتر به تنهایی قابلیت تنظیم ولتاژ را خواهد داشت اما در مقابل باید به این نکته توجه کرد که اینورترهای منبع امپدانسی معمولا محدودیت فرکانس دارند که می توان به عنوان یک ویژگی منفی یاد کرد.
طرز کار اینورتر سه فاز
اصول کار اینورتر سه فاز به این شکل است که این اینورتر، سه کلید اینورتر تک فاز دارد که هر سوییچ می‌تواند به ترمینال بار متصل گردد. در سیستم کنترل پایه، می‌توان عملکرد سه سوییچ همگام شود به‌این‌ترتیب هر سوییچ روی 60درجه شکل موج o/p پایه کار می‌کند تا یک شکل موج o/p خط به خط که شامل شش مرحله است کار می‌کند. این شکل موج یک مرحله ولتاژ صفر بین دو بخش مثبت و منفی موج مربعی دارد. وقتی تکنیک‌های PWM بر اساس حامل روی این شکل موج‌ها اعمال شود، می‌توان شکل اصلی موج را به‌گونه‌ای گرفت که هارمونیک سوم لغو شود.
مهم‌ترین قابلیت این نوع اینورتر تبدیل ورودی جریان DC به خروجی سه فاز AC است. هر اینورتر سه فاز پایه دارای سه سوییچ اینورتر تک فاز است. هر سوییچ می‌تواند به‌صورت هم‌زمان به سه ترمینال بار متصل کرد. در حالت عادی سه بازوی این اینورتر برای ایجاد ذخیره AC سه فاز، از زاویه 120 درجه تأخیر دارند.
نرخ سوییچ بکار رفته در اینورتر 50درصد است و سوییچینگ بعد از زاویه 60درجه انجام می‌شود. سوییچ‌ها مثلاً S1، S2، S3، S4، S5 و S56 یکدیگر را کامل می‌کنند. بنابراین اینورترهای سه فاز با یک فیوز در منبع DC مشابه قرار داده می‌شوند. ولتاژ قطب اینورتر سه فاز برابر با ولتاژ قطب داخل اینورتر نیم فاز با تک فاز است