اینورتر و انواع آن – به زبان ساده

اینورتر چگونه کار می‌کند؟

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.

انواع اینورترها

فیلم آموزش الکترونیک‌ قدرت 2 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

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

• اینورتر تکفاز
• اینورتر سه ‌فاز

فیلم آموزش مبدل‌های AC به AC در فرادرس

کلیک کنید

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.

اینورترهای تمام‌موج تکفاز

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)

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)

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.