اینورتر و انواع آن — به زبان ساده

در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس با مبدل‌های DC به DC آشنا شدیم. در این آموزش، به معرفی «اینورتر» (Inverter) و انواع آن می‌پردازیم. اینورتر یک مدار الکترونیک قدرت است که برای تبدیل ولتاژ‌ DC به یک ولتاژ‌ AC به کار می‌رود. اگرچه در مدار داخلی وسایل الکتریکی کوچک اغلب از توان DC استفاده می‌شود، اما ورودی اصلی اغلب وسایل الکتریکی خانگی برق AC شهری است. بنابراین، لازم است راهی برای تبدیل بهینه توان DC به توان AC پیدا کنیم. اینورتر یک دستگاه استاتیک است که توان الکتریکی را از یک فرم به فرم دیگر تبدیل می‌کند، اما خود نمی‌تواند توان تولید کند. بنابراین، اینورتر یک مبدل است و مولد نیست.

از اینورتر می‌توان به صورت مجزا و به تنهایی در مواردی مانند توان خورشیدی یا توان پشتیبان باتری برای کاربردهای خانگی استفاده کرد. اینورتر توان DC را از باتری‌ها یا یک منبع DC دیگر می‌گیرد و آن را به توان AC تبدیل می‌کند. یک اینورتر قدرت نیز در سیستم قدرت برای تبدیل توان DC به توان AC در انتهای دریافت یک خط انتقال HVDC به کار می‌رود. این نوع اینورتر به عنوان اینورتر متصل به شبکه شناخته می‌شود.

قبل از آنکه اینورتر اختراع شود، یک مجموعه موتور-ژنراتور و مبدل چرخان برای تبدیل توان DC به توان AC به کار می‌رفت. اصطلاح مهندسی اینورتر را اولین بار «دیوید پرینس» (David Prince) در سال ۱۹۲۵ در مقاله‌ای با عنوان «The Inverter» معرفی کرد. در مقاله مذکور، پرینس اینورتر را به عنوان معکوس یکسوکننده تعریف کرد. اصطلاح یکسوکننده تا دو دهه قبل از ۱۹۲۵ استفاده می‌شد. مبدل‌های چرخان به عنوان یکسوکننده مورد استفاده قرار گرفتند تا زمانی که دیود مورد استفاده قرار نگرفته بود به کار می‌رفتند. این نوع تبدیل DC به AC به «چرخش معکوس» معروف شد. پس از اختراع سوئیچ‌های الکترونیک قدرت، عصر جدید مبدل‌ها آغاز شد و کاربردهای اینورتر را افزایش داد. این امر به پیشرفت و بهبود اینورترها انجامید.

اینورتر چگونه کار می‌کند؟

نحوه عملکرد اینورتر را با یک مثال بیان می‌کنیم. فرض کنید یک لامپ به باتری متصل شده است و به همراه آن یک مسیر بسته را می‌سازد. بنابراین، جریان از لامپ عبور خواهد کرد. لامپ دو ترمینال دارد که A و B هستند. ترمینال مثبت و منفی باتری، نیز به ترتیب به ترمینال‌های A و B متصل هستند و لامپ روشن می‌شود. در ادامه، ترمینال‌های باتری را با یکدیگر تعویض می‌کنیم. در این شرایط نیز لامپ روشن می‌شود. اما چرا در این دو حالت، با وجود تغییراتی که دادیم، نتیجه تغییری نکرده است؟

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

در اینجا یک چیز فرق کرده و آن جهت جریان AC است. اکنون تصور کنید که می‌توانید باتری را ۵۰ یا ۶۰ دور در دقیقه بچرخانید. چه اتفاقی می‌افتد؟ جهت ۵۰ یا ۶۰ بار تغییر می‌کند. این دقیقاً مشابه توان AC و فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز است. این مثال تنها برای درک اصول عملکرد یک اینورتر است. در عمل، اینورتر هرگز اینچنین کار نمی‌کند و بخش متحرکی ندارد. در واقع، اینورتر از کلید‌های الکترونیک قدرت، مانند IGBT و ماسفت بهره می‌برد. تعداد سوئیچ‌ها به نوع اینورتر بستگی دارد. نمودار مدار یک اینورتر تمام موج تک‌فاز در شکل زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که می‌بینیم، در شکل بالا چهار سوئیچ یا کلید وجود دارد. منبع DC و بار نیز در شکل مشخص شده‌اند. وقتی کلیدهای S1 و S2 روشن (ON) باشند، کلیدهای S3 و S4 خاموش (OFF) هستند و جهت جریان گذرنده از بار در این شرایط مثبت است. در این حالت، نیم سیکل مثبت خروجی AC را خواهیم داشت.

در ادامه، کلیدهای S3 و S4 روشن می‌شوند و کلیدهای S1 و S2 خاموش. جریان در این حالت در جهت مخالف است و نیم سیکل منفی خروجی AC را خواهد ساخت. زمان ON و OFF شدن کلید‌ها فرکانس خروجی را تعیین می‌کند. خروجی اینورتر یک شکل موج مربعی است. از فیلترها نیز برای تولید یک شکل موج سینوسی استفاده می‌شود.

انواع اینورترها

اینورترها را می‌توان با توجه به شکل موج خروجی، نوع بار خروجی و روش‌های PWM به دسته‌های مختلفی تقسیم کرد.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۲ در فرادرس

کلیک کنید

انواع اینورترها بر اساس شکل موج خروجی

انواع اینورترها از نظر شکل موج خروجی عبارتند از:

• اینورترهای موج مربعی
• اینورترهای شبه‌سینوسی یا اینورترهای سینوسی اصلاح شده
• اینورترهای سینوسی

اینورترهای موج مربعی

این نوع اینورتر کم به کار می‌رود، اما ساده‌ترین نوع اینورتر نیست. شکل موج خروجی این اینورتر یک موج مربعی است. وسایل برقی خانگی و تقریباً همه تجهیزات برقی که با برق AC کار می‌کنند، برای موج سینوسی طراحی شده‌اند. اینورتر موج مربعی سیگنال DC را به یک سیگنال AC با فاز جابه جا شده تبدیل می‌کند. اما خروجی یک سیگنال AC خالص نیست. این نوع اینورتر، ارزان‌ترین اینورتر از سه نوعی است که نام بردیم. اگر یک وسیله برقی را به یک اینورتر موج مربعی وصل کنیم، تلفات بیشتری خواهد داشت. همچنین، در بدترین حالت، ممکن است وسیله آسیب ببیند. این نوع اینورترها در کنار فیلترها (مانند فیلترهای پایین‌گذر اکتیو) برای ساخت اینورترهای سینوسی به کار می‌روند.

اینورترهای شبه‌سینوسی

این اینورتر سیگنالی تولید می‌کند که شبیه یک موج سینوسی است. اما توانایی تولید یک شکل موج سینوسی خالص را ندارد. اینورتر شبه‌سینوسی وقفه‌هایی قبل از جابه‌جایی فاز تولید می‌کند. این اینورترها فاز را مستقیماً از مثبت به منفی تغییر نمی‌دهند (برخلاف آنچه در مورد اینورترهای مربعی داریم). ساختار اینورتر شبه‌سینوسی پیچیده‌تر از اینورتر موج مربعی است، اما از اینورتر سینوسی خالص ساده‌تر است.

اینورترهای سینوسی

اینورترهای سینوسی پربازده‌ترین و البته پیچیده‌ترین نوع از اینورترها هستند. این نوع، شکل موج سینوسی خالص تولید می‌کند که شبیه شکل موج توان شبکه است. همه وسایل برقی برای کار در برق AC‌ سینوسی خالص طراحی شده‌اند. اینورترهای سینوسی را می‌توان از طریق اصلاح شکل موج اینورترهای موج مربعی نیز ساخت. این اینورترها تلفات کمتری دارند، اما هزینه ساختشان نیز بالاست. اینورترهای سینوسی در موارد تجاری و خانگی کاربردهای فراوانی دارند.

انواع اینورتر بر اساس نوع بار

با توجه به نوع بار، اینورترهای AC می‌توانند تکفاز یا سه ‌فاز باشند. بنابراین، دو نوع بار وجود دارد و بر همین اساس، دو نوع اینورتر نیز داریم:

• اینورتر تکفاز
• اینورتر سه ‌فاز

اگر بار تکفاز باشد، از اینورتر تکفاز استفاده می‌کنیم. اینوترهای تکفاز، خود دو نوع هستند:

• اینورتر نیم‌موج
• اینورتر تمام‌موج

اینورترهای نیم‌موج تکفاز

دو تریستور (S1 و S2) به دو دیود فیدبک (D1 و D2) مطابق شکل زیر متصل شده‌اند. ولتاژ منبع به دو بخش مساوی تقسیم می‌شود. بار مقاومتی برای درک عملکرد اینورتر قرار داده شده است.

اینورتر نیم‌موج تکفاز دو مد عملکردی دارد. در مد اول، تریستور S1 روشن و S2 خاموش هستند و مسیر عبور جریان در این حالت، $$V/2-S1-B-RL-A-V/2$$ است. جریان گذرنده از بار از B به A و ولتاژ دو سر بار مثبت $$ V / 2 $$ است. در این حالت، نیم‌سیکل مثبت خروجی تولید می‌شود.

در مد دوم، تریستور S2 روشن و S1 خاموش هستند و جریان از مسیر $$ V/2-A-RL-B_S2-V/2$$ عبور می‌کند. جریان گذرنده از بار از A تا B و ولتاژ ‌دو سر بار نیز منفی $$ V/ 2 $$ است. در این مد، نیم‌سیکل منفی خروجی به دست می‌آید.

اینورترهای تمام‌موج تکفاز

در یک اینورتر تمام‌موج، چهار تریستور و چهار دیود فیدبک وجود دارد و یک منبع DC نیز ورودی مدار است. در یک اینورتر نیم‌موج، در هر لحظه یک سوئیچ روشن است و جریان را عبور می‌دهد. اما در اینورتر تمام‌موج، در هر لحظه دو سوئیچ جریان را از خود عبور می‌دهند.

اینورتر تمام‌موج تکفاز نیز دو مد عملکردی دارد. در مد اول، تریستورهای S1 و S2 روشن و تریستورهای S3 و S4 خاموش هستند و مسیر عبور جریان $$V-S1-A-RL-B-S2-V$$ است. جریان گذرنده از بار نیز از A به B است و نیم‌سیکل مثبت جریان را تشکیل می‌دهد.

در مد دوم، تریستورهای S3 و S4 وصل هستند و تریستورهای S1 و S2 جریان را از خود عبور نمی‌دهند. در این حالت، جریان گذرنده از مدار، در مسیر $$ V-S3-B-RL-A-S4-V$$ قرار دارد. جهت جریان گذرنده از بار نیز از A تا B خواهد بود و نیم‌سیکل منفی شکل موج را تشکیل می‌دهد.

اینورترهای سه‌ فاز

در صنایع بارهای الکتریکی عموماً سه فاز هستند و از منبع AC سه ‌فاز استفاده می‌شود. در این موارد از اینورتر سه ‌فاز برای تغذیه بار استفاده می‌شود.

در یک اینورتر سه فاز، شش دیود و شش تریستور وجود دارد. بسته به زمان هدایت تریستور، این اینورتر به دو نوع عملکرد خواهد داشت:

• عملکرد در مد ۱۲۰ درجه
• عملکرد در مد ۱۸۰ درجه

اینورترهای سه‌ فاز در مد عملکرد ۱۲۰ درجه

در این اینورتر، در هر لحظه، دو تریستور هدایت می‌کنند. مدت هدایت برای همه تریستورها ۱۲۰ درجه است. این بدین معنی است که یک سوئیچ به اندازه ۱۲۰ درجه روشن و ۲۴۰ درجه بعدی خاموش می‌ماند. شکل ولتاژ فاز یک شکل موج شبه‌مربعی است و شکل ولتاژ‌ خط یک شکل موج سه‌پله‌ای خواهد بود.

اینورترهای سه‌ فاز در مد عملکرد ۱۸۰ درجه

در این اینورتر، سه تریستور در هر لحظه در حال هدایت هستند. زمان هدایت همه تریستورها به اندازه ۱۸۰ درجه است. شکل ولتاژ خط و ولتاژ‌ فاز ۱۲۰ برعکس مد عملکرد ۱۲۰ درجه است. در اینجا، شکل موج ولتاژ فاز یک شکل موج سه‌پله‌ای خواهد بود و برای ولتاژ خط شکل موج شبه‌مربعی است. در مد عملکرد ۱۸۰ درجه، دو تریستور از یک پل مشترک به طور همزمان روشن و خاموش هستند. برای مثال، در یک نیم‌سیکل (۱۸۰ درجه)، S1 روشن و در نیم‌سیکل بعدی S4 روشن است. بنابراین، در همان لحظه، S1 خاموش و S4 روشن می‌شود. به دلیل این هدایت همزمان، مدار ممکن است اتصال کوتاه شود. این مسئه در مورد مد ۱۲۰ درجه رخ نمی‌دهد.

انواع اینورترها بر اساس PWM

خروجی اینورتر یک سیگنال موج مربعی است و این سیگنال برای بار استفاده نمی‌شود. روش مدولاسیون پهنای پالس (PWM) برای کنترل ولتاژ خروجی AC به کار می‌رود. این روش کنترلی با کنترل مدت زمان ON و OFF کلیدها انجام می‌شود. در روش PWM دو سیگنال استفاده می‌شود: یکی سیگنال مرجع برای و دیگری سیگنال حامل مثلثی. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه این دو سیگنال تولید می‌شود. روش‌های مختلفی برای مدولاسیون پهنای پالس وجود دارد:

• مدولاسیون پهنای پالس منفرد (SPWM)
• مدولاسیون پهناسی پالس چندگانه (MPWM)
• مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM)
• مدولاسیون پهنای پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)

در ادامه، این روش‌ها را توضیح می‌دهیم.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس تکی (SPWM)

در هر نیم‌سیکل، تنها پالس در این روش کنترل موجود است. سیگنال مرجع سیگنال موج مربعی و سیگنال حامل یک سیگنال موج مثلثی است. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می‌شود. فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می‌شود. دامنه سیگنال مرجع Ar و دامنه سیگنال حامل Ac است، پس می‌توان شاخص مدولاسیون را Ar/Ac تعریف کرد. ضعف اصلی این روش، محتوای هارمونیکی بالای آن است.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس چندگانه (MPWM)

عیب روش مدولاسیون پهنای پالس تکی توسط PWM چندگانه حل شده است. در این تکنیک به جای یک پالس، در هر نیم‌سیکل ولتاژ خروجی از چندین پالس استفاده می‌شود. در این حالت، گیت با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می‌شود. فرکانس خروجی با کنترل فرکانس سیگنال حامل کنترل شده و از شاخص مدولاسیون برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. تعداد پالس‌ها درهر نیم‌سیکل برابر با $$ f _ c / ( 2 f _ 0 ) $$ است که در آن، $$ f _ c $$ فرکانس سیگنال حامل و $$ f _ 0 $$ فرکانس سیگنال خروجی است.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM)

این روش کنترل به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در هر دو روش بالا، سیگنال مرجع یک سیگنال موج مربعی است. اما در این روش، سیگنال مرجع یک سیگنال سینوسی است. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه سیگنال مرجع موج سینوسی با موج حامل مثلثی ایجاد می‌شود. پهنای هر پالس با تغییر دامنه موج سینوسی تغییر می‌کند. فرکانس شکل موج خروجی همانند فرکانس سیگنال مرجع است. ولتاژ خروجی یک موج سینوسی است و ولتاژ RMS را می‌توان با شاخص مدولاسیون کنترل کرد. شکل موج حاصل از این مدولاسیون مانند شکل زیر است.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWN)

با توجه به مشخصه موج سینوسی، پهنای پالس را نمی‌توان با تغییر شاخص مدولاسیون در تکنیک SPWM تغییر داد. به همین دلیل است که تکنیک MSPWN معرفی شده است. در این تکنیک، سیگنال حامل در فاصله ۶۰ درجه اول و آخر هر نیم‌سیکل اعمال می‌شود. به این ترتیب، ویژگی هارمونیک آن بهبود می‌یابد. مهم‌ترین مزیت این روش افزایش مؤلفه اساسی، کاهش تعداد قطعات سوئیچینگ و کاهش تلفات سوئیچینگ است. شکل موج این روش PWM در شکل زیر نشان داده شده است.

انواع اینورترها بر اساس تعداد سطوح خروجی

انواع اینورترها بر اساس تعداد سطوح خروجی عبارتند از:

• اینورترهای دو سطحی معمولی: این اینورترها فقط دارای سطح ولتاژی در خروجی هستند که ولتاژ پیک مثبت و ولتاژ پیک منفی است. اگر اینورتر سطح ولتاژ صفر نیز داشته باشد، به آن اینورتر دوسطحی می‌گویند.
• اینورترهای چندسطحی: این اینورترها می‌توانند چندین ولتاژ در خروجی داشته باشند.

کاربرد اینورترها

برخی از کاربردهای اینورترها به شرح زیر است:‌

• وقتی شبکه اصلی در دسترس نباشد، از منبع تغذیه بدون وقفه یا UPS استفاده می‌شود. اینورتر و باتری بخش‌های مهم یک یو پی اس هستند.
• از اینورتر قدرت در خطوط انتقال HVDC استفاده می‌شود. این اینورترها همچنین در اتصال دو سیستم AC آسنکرون به کار می‌روند.
• توان خروجی پنل خورشیدی DC است. در این کاربردها از یک اینورتر خورشیدی برای تبدیل توان DC به توان AC استفاده می‌شود.
• اینورتر (حلقه بسته) با استفاده از واحد کنترل ولتاژ خروجی متغیر تولید می‌کند. سرعت اینورتر با منبع ولتاژ‌ متغیر کنترل می‌شود. برای مثال، در موتور کمپرسور یخچال، ترابری ریلی، کنترل سرعت موتور القایی و وسایل نقلیه الکتریکی به کار می‌رود.
• اینورترها می‌توانند توان AC فرکانس پایین را به فرکانس بالا تبدیل کنند که در گرمایش القایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.