اینورتر چگونه دستگاهی است؟!

یک ترانسفورمر منبع AC را به هر ولتاژ مطلوب تبدیل می کند ، اما در همان فرکانس . اینورترها ، به علاوه یکسوسازهای DC ، می تواند برای تبدیل از هر ولتاژ ، AC یا DC ، به هر ولتاژ دیگر ، ACیا DC ، در هر فرکانس مطلوب طراحی شود. توان خروجی هرگز از توان ورودی تجاوز نمی کند ، اما راندمان می تواند زیاد باشد ، با یک نسبت از توان اتلافی به عنوان گرمای تلف شده .در یک مدار اینورتر ساده ، منبع DC از طریق سر وسط سیم پیچ ورودی به یک ترانسفورمر متصل می شود. یک کلید به سرعت بین سیم پیچ های بالا و پایین سوئیچ می شود تا جریان منبع DC به صورت متناوب از طریق یک سر سیم پیچ اولیه و سپس از دیگری جاری شود[...]

پیش گفتار:

با افزایش کاربرد موتورهای القایی در صنعت بحث کنترل این موتورها اهمیت ویژه های پیدا کرده است. درایو الکتریکی در موتورهای الکتریکی عبارت است سیستمی که سرعت و گشتاور یک موتور الکتریکی را کنترل می‌کند.درایو VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس تغذیه اعمال شده به موتور الکتریکی است.

اینورتر چیست؟!

اینورتر یک دستگاه الکتریکی است که می تواند جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل کند. با استفاده از ترانسفورماتورها ، سوئیچ ها و مدارات کنترل ، AC تبدیل شده می تواند هر مقدار ولتاژی و فرکانسی داشته باشد. اینورترهای استاتیک قطعات متحرک ندارند و در رنج وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. از منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها تا کاربردهای جریان مستقیم ولتاژ بالای تاسیسات الکتریکی برای انتقال عمده توان. اینورترها معمولا برای تغذیه توان AC از منبع DC استفاده می شود مثل پنل خورشیدی یا باتری ها. اینورترهای الکتریکی اسیلاتورهای الکتریکی توان بالا هستند. علت نامگذاری این است که قبلا برای تبدیل کردن DC به AC از مبدل های AC به DC به صورت معکوس استفاده می شد. اینورتر عمل مخالف تابع یکسوساز را انجام می دهد.

اینورتر نوسان ساز الکترونیکی قدرت بالا است. دلیل این نام گذاری آن است که این دستگاه عمل عکس مبدل برق AC به DC متداول را انجام می دهد.

شرح و توصیف اینورتر:

یک ترانسفورمر منبع AC را به هر ولتاژ مطلوب تبدیل می کند ، اما در همان فرکانس . اینورترها ، به علاوه یکسوسازهای DC ، می تواند برای تبدیل از هر ولتاژ ، AC یا DC ، به هر ولتاژ دیگر ، ACیا DC ، در هر فرکانس مطلوب طراحی شود. توان خروجی هرگز از توان ورودی تجاوز نمی کند ، اما راندمان می تواند زیاد باشد ، با یک نسبت از توان اتلافی به عنوان گرمای تلف شده .

در یک مدار اینورتر ساده ، منبع DC از طریق سر وسط سیم پیچ ورودی به یک ترانسفورمر متصل می شود. یک کلید به سرعت بین سیم پیچ های بالا و پایین سوئیچ می شود تا جریان منبع DC به صورت متناوب از طریق یک سر سیم پیچ اولیه و سپس از دیگری جاری شود. تناوب جریان در سیم پیچ اولیه ترانسفورمر در سیم پیچ ثانویه جریان متناوب (AC) تولید می کند.
نوع الکترومکانیکی تجهیزات سوئیچینگ شامل دو اتصال ثابت و یک اتصال متحرک با نگهدارنده فنری است. فنر اتصال متحرک را خلاف جهت یکی از اتصالات ثابت نگه می دارد و یک آهنربای مغناطیسی اتصال متحرک را به سمت اتصال ثابت مخالف می کشد. جریان آهنربای مغناطیسی با عمل سوئیچ قطع می شود. به طوری که کلید دائما و به سرعت بین سیم پیچ های بالا و پایین سوئیچ می شود. این نوع کلید اینورتر الکترومغناطیسی ، ویبراتور یا بیزر نامیده می شود ، که قبلا در رادیوهای لامپی اتومبیل استفاده می شد. مکانیزمی مشابه در زنگ درها ، بیزرها و سرنگ خالکوبی استفاه شده است. هنگامی که آنها در حال در دسترس بودن با توان نامی مناسب بودند ، ترانزیستورها و انواع مختلف دیگر سوئیچ های نیمه هادی در طراحی مدارات اینورتر وارد شدند.

از اینورترها در سه ناحیه استفاده می گردد :
۱- فعالیتهای گشتاور ثابت مثل میکسرها , اکسترودرها , نوارهای نقاله و . . .
۲- فعالیتهای توان ثابت مثل کشش و دستگاههای ماشینی.
۳- فعالیتهای گشتاور متغیر مثل فن و پمپ.
در پمپها و فنها میزان دبی با سرعت موتور متناسب است. اما توان مصرفی با مکعب سرعت تناسب دارد. مثلاً اگر دور موتور به میزان ۵۰% کاهش یابد آنگاه توان مصرفی لازم ۱۲٫۵% خواهد بود و این به مفهوم ۸۷٫۵% صرفه جویی در انرژی است.

انواع اینورترها از نظر فاز و شکل موج خروجی:
اینورترها از نظر فاز تبدیل به دو نوع عمده تک فاز و سه فاز تقسیم بندی می‌شوند همچنین از نظرشکل موج خروجیشان به چهار نوع زیر تقسیم می‌شوند.

۱- خروجی به شکل موج مربعی

۲- خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (معمولی)

۳- خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (پله ای)

۴- خروجی به شکل سینوسی خالص شکلهای زیر دو نوع سینوسی اصلاح شده را نشان می دهند.

طراحی اینورتر:

در این قسمت یک سری از مطالب پایه مربوط به طراحی اینورترها را بیان می کنیم. اگر شکل زیر بلوک دیاگرام یک اینورتر باشد چنانچه از تلفات اینورتر صرفنظر کنیم وتوان ورودی را با خروجی برابر بگیریم رابطه زیر را خواهیم داشت.

Vin*Iin=Vout*Iout

پس اگر یک ولتاژ خروجی ۲۲۰ ولت با توان ۴۰۰ وات نیاز داشته باشیم باید بدانیم که در ورودی یک ولتاژ مثلاً ۱۲ ولت با جریان ۳۴ آمپر نیاز داریم. باید توجه داشت که اگر ولتاژ ورودی dc با باتری تامین می‌شود باتری تا چه مدت کارایی خواهد داشت. مورد دوم بازدهی یک اینورتر است که عبارت است از نسبت توان خروجی به توان ورودی بر حسب درصد که در اینورترهای با طراحی خوب نزدیک ۹۰% است. بازده بیشتر به مواردی چون تعداد المانهای سوئیچ کننده ، نوع المانهای سوئیچ کننده، روش سوئیچ کردن (مثلاً pwm یا spwm) مرغوبیت ترانسها و سیم پیچهای به کار رفتند و نوع فیلترهای مورد استفاده در اینورتر بستگی دارد.

مورد دیگر شکل موج خروجی یک اینورتر است. همانطور که می دانیم یک شکل موج مربعی پریودیک دارای یک سری هارمونی است. مانند شکل زیر هارمونیکهای فرعی (دارای رتبه) دارای دامنه کمتر و فرکانس بیشتری هستند و یکی از هارمونیکها که به نام اصلی یا پایه خوانده می‌شود دارای فرکانسی برابر فرکانس شکل موج مربعی است.

جهت آنالیز فوریه این شکل موج مقداری به نام THD تعریف می‌شود که برابر است با:

مسلم است که هر چه مقدار THD کمتر باشد کیفیت شکل موج خروجی اینورتر بیشتر است. جهت بهبود کیفیت شکل موج خروجی اینورتر می‌توان از فیلترها استفاده کرد و در واقع هارمونیک اصلی را از میان دیگر هارمونیکها جدا نمود.

ساده ترین مداری که می‌توان برای یک اینورتر فرض کرد شکل زیر است. با تغییر وضعیت سوئیچ پالسهایی در اولیه ایجاد می‌شود که پس از تقویت در ثانویه ترانس نمایان می‌شوند. می‌توان به جای سوئیچ از دو ترانزیستور یا IGBT استفاده کرد و به وسیله یک مدار پالس دهنده (مثل مدار بی استابل ۵۵۵) آنها را به ترتیب پالس دهی کرد.

به این دلیل اینکه در این روش دامنه هارمونیکهای فرعی نزدیک به دامنه هارمونیک اصلی است مقدار THD افزایش یافته و کیفیت شکل موج خروجی کاهش می یابد.

طراحی پیشرفته:

پیکره بندی های مختلفی برای مدارات قدرت وجود دارد و راه حل های مختلفی در طراحی اینورتر استفاده می شود. روش های مختلف طراحی که ممکن است کما بیش اهمیت داشته باشد ، به این که اینورتر برای چه مقصودی طراحی شده است ، بستگی دارد. برامد کیفیت شکل موج به روش های زیادی می تواند مرتب شود. خازن ها و سلف ها می توانند برای فیلتر کردن شکل موج استفاده شوند. اگر طراحی شامل یک ترانسفورمر باشد ، فیلتر می تواند به اولیه یا ثانویه ترانسفورمر یا به هر دو سمت آن اعمال شود. فیلتر پایین گذر برای اجازه عبور دادن به مولفه اصلی شکل موج به خروجی در حین محدود کردن عبور مولفه های هارمونیک به کار برده می شود. اگر اینورتر برای تامین انرژی در فرکانس ثابت طراحی شده است ، یک فیلتر تشدید می تواند مورد استفاده قرار گیرد. برای یک اینورتر فرکانس متغیر ، فیلتر باید برای فرکانسی تنظیم شود که بالاتر از حداکثر فرکانس مولفه اصلی باشد . از آنجایی که اکثر مصرف کننده ها شامل سلف هستند ، یکسوسازهای فیدبک یا دیود های موازی-معکوس اغلب به دو سر هر یک از سوئیچ های نیمه هادی متصل می شود تا مسیری برای پیک جریان بار القائی موقع قطع سوئیچ ایجاد کند. دیودهای موازی-معکوس تا حدی شبیه دیودهای هرزگرد استفاده شده در مدارات مبدل های AC/DC هستند. تحلیل فوریه نشان می دهد که یک شکل موج ، مثل موج مربعی ، که حدودا در نقطه۱۸۰ درجه غیر متقارن هستند ، فقط شامل هارمونیک های فرد هستند ، سوم ، پنجم ، هفتم و الی آخر. شکل موج هایی که پله هایی با عرض های معین و سعود و نزول محو دارند ، هارمونیک های اضافی را حذف می کنند. برای مثال با اضافه کردن یک پله صفر ولت بین قسمت های مثبت و منفی موج مربعی ، همه ی هارمونیک هایی که بر ۳ بخش پذیر هستند ، حذف می شوند و فقط هامونیک های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و … باقی می ماند. عرض مورد نیاز برای پله ها یک سوم پریود هر پله مثبت یا منفی و یک ششم پریود هر پله صفر ولت است. تغییر موج مربعی توضیح داده شده در بالا یک مثال از مدولاسیون پهنای باند (PWM) است. مدولاسیون ، یا رگولاسیون عرض یک پالس موج مربعی اغلب به عنوان متودی از رگوله کردن یا تنظیم ولتاژ خروجی اینورتر است. زمانی که کنترل ولتاژ لازم نیست ، یک عرض پالس ثابت می تواند برای کاهش یا خذف کردن هارمونیک مورد نظر انتخاب شود. تکنیک حذف هارمونیک معمولا روی پایین ترین هارمونیک ها ( از لحاظ فرکانسی ) به کار برده می شود چون فیلترینگ در فرکانس های بالاتر موثرتر از فرکانس های پایین است. طرح های کنترلی Multiple pulse-width یا carrier based PWM شکل موج هایی را ارائه می دهد که با پالس های کم عرض زیادی ترکیب شده اند. فرکانس به نمایندگی از تعداد پالس های باریک در ثانیه ، فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر نامیده می شود. این طرح های کنترلی اغلب در اینورترهای کنترل موتورهای فرکانس متغیر استفاده می شوند زیرا رنج وسیعی از ولتاژ و فرکانس خروجی را قابل تنظیم می کنند در حین بهتر کردن کیفت شکل موج. اینورترهای چند سطحی روش دیگری را برای حذف هارمونیک ها ارائه می کنند. اینورترهای چند سطحی شکل موجی را در خروجی ایجاد می کند که چندین پله مجزا از سطوح مختلف ولتاژ را ارائه می کند. برای مثال ممکن است که چند موج سینوسی را با داشتن ورودی های جریان مستقیم در دو سطح ولتاژ یا ورودی های مثبت و منفی با زمین مرکزی ایجاد کند. با اتصال ترمینال های خروجی اینورتر به ترتیب بین مثبت و زمین ، مثبت و منفی ، زمین و منفی ، سپس هر دو به زمین ، یک شکل موج پله ای در خروجی اینورتر تولید می شود. این مثالی از اینورتر سه سطحی است : دو ولتاژ و یک زمین.

ویژگی های اینورتر:
کاهش انرژی مصرفی و لذا کاهش هزینه برق، کاهش جریان راه اندازی و در نتیجه طولانی شدن عمر موتور ، امکان تغییر سرعت موتور، امکان تغییر جهت حرکت موتور، داشتن حفاظت در برابر اضافه بار، امکان کار موتور در شرایطی که ولتاژ ورودی متغیر است، امکان کنترل از راه دور، ایجاد سرعت بیشتر از سرعت نامی موتور، برنامه ریزی کردن حرکت.
اینورتر به صورت هوشمند میزان بار وارده به موتور را تشخیص داده و متناسب با همان بار، به موتور جریان می دهد و این جریان در بسیاری از مواقع از جریان نامی موتور کمتر است. دستگاهی الکترونیکی است که بوسیله آن می توان سرعت موتورهای سه فاز را تغییر داد.
اینورتر (Inverter) یا مبدل برق دستگاه الکترونیکی است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می کند. جریان AC تبدیل شده می توانند بر اساس نیاز در هر ولتاژ و فرکانسی باشد که بوسیله ترانسفورماتورهای مناسب و مدارها کنترل می شود

کاربرد های اینورتر:
از نظر کاربرد اینورترها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. برای راه اندازی پمپ ها، فن ها،آسانسور،جرثقیل، نوارهای نقاله ، دستگاههای اکسترودر و…… از اینورتراستفاده می شود. برای پمپ و فن از اینورترهای با گشتاور متغیر و برای آسانسورونوار نقاله و جرثقیل از اینورتر با گشتاور ثابت و برای اکسترودرها از اینورتر با فیدبک PG بهره برداری میکنند.دیگر کاربردهای آن به صورت زیر است:
منبع تغذیه:
اینورتر برق DC را از منابعی مانند باتری، پانل های خورشیدی، یا سلولهای سوختی به برق AC تبدیل می کند. برق خروجی را می توان به هر ولتاژی که لازم باشد تبدیل کرد. میکرو اینورترها مستقیما جریان را از پانل های خورشیدی به جریان متناوب تبدیل می کنند.
منابع برق اضطراری:
استفاده از باتری و اینورتر بعنوان منبع تغذیه اضطراری (یو پی اس) جهت تامین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نیست. وقتی که برق اصلی مجددا برقرار شد ، از یکسو کننده برای شارژ کردن باتری ها استفاده می شود.
گرمکن القائى:
از اینورتر ها برای بالا بردن فرکانس برق اصلی جهت استفاده در گرمکن القائى استفاده می شود. برای اینکار ابتدا برق اصلی با به DC تبدیل کرده و سپس بوسیله اینورتر برق DC را به AC با فرکانس بالاتر تبدیل می کنند.

انتقال انرژی به روش HVDC:
در انتقال برق به روش HVDC (انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد و با تلفات کم)، ابتدا برق AC به برق DC با ولتاژ بالا تبدیل شده و به مکان دیگری منتقل می شود. سپس در محل دریافت، به کمک اینورتر آن را به برق AC تبدیل می کنند.
درایو فرکانس متغیر:
درایو فرکانس متغیر یا VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس برق اعمال شده به موتور الکتریکی است. اینورتر وظیفه کنترل برق را بعهده می گیرد. در اغلب موارد ، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است به طوری که برق DC مورد نیاز اینوتر از برق AC اصلی تامین می شود. از آنجا که در اینجا اینورتر یک عنصر اصلی است، بعضی اوقات درایو فرکانس متغیر به نام درایو اینورتر یا کلا اینورتر نامیده می شود.
استفاده از باتری و اینورتر بعنوان منبع تغذیه اضطراری (یو پی اس) جهت تامین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نیست. وقتی که برق اصلی مجددا برقرار شد ، از یکسو کننده برای شارژ کردن باتری ها استفاده می شود
درایوهای الکتریکی وسیله نقلیه:
در حال حاضر از اینورتر جهت کنترل قدرت کشش موتور در برخی وسایل نقلیه برقی مانند قطار برقی و همچنین برخی از خودروهای الکتریکی و هیبریدی مانند تویوتا Prius استفاده می شود. به طور خاص پیشرفت های مختلف انجام شده در تکنولوژی اینورترها به خاطر کاربرد آنها در وسایل نقلیه برقی است. در وسایل نقلیه مجهز به ترمز احیا کننده، اینورتر همچنین انرژی خود را از موتور (که در این جا به عنوان یک ژنراتور عمل می کند) گرفته و آن را در باتری ها ذخیره می کند.
استفاده در پنلهای خورشیدی:
پنلهای خورشیدی دارای خروجی DC هستند که با استفاده از اینورترها این توان تبدیل به AC می‌شود.انواع اینورترها از نظر فاز و شکل موج خروجی: اینورترها از نظر فاز تبدیل به دو نوع عمده تک فاز و سه فاز تقسیم بندی می‌شوند همچنین از نظرشکل موج خروجیشان به چهار نوع زیر تقسیم می‌شوند.
۱- خروجی به شکل موج مربعی
۲- خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (معمولی)۳
– خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (پله ای)
۴- خروجی به شکل سینوسی خالص

مناسب برای جوشکارى انواع فولاد و خصوصاً جوشکارى آلومینیوم:

در گذشته دستگاههاى جوشکارى بر پایه ترانسفورماتور بوده اند .عملکرد ترانسفورمرها درفرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز معمولاً نا کارآمد مى باشد . گرماى زیادى در ترانسفورمر تولید شده وترانسفورمر نیز باید نسبتاً بزرگ و سنگین باشد . بخش مهمى از انرژى ، صرف گرم کردن ترانسفورمر و فضاى اطراف آن مىشود . ترانسفورمر قدرت اصلى که با فرکانس ۲۰۰۰۰ هرتز کار مى کند ، به مراتب بهینه تر وکارآمدتر از انواع ۵۰ هرتزى آن است که این به معناى کوچک شدن قابل توجه ترانسفورمر مى باشد . بعنوان مثال در مقایسه بادستگاههاى رکتیفایر ترانسفورمرى باحدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلوگرم وزن ، دستگاههاى مشابه اینورترى حدود ۸تا ۴۰ کیلوگرم وزن دارند. بنابراین ازمزایاى سبک و قابل حمل بودن دستگاههاى اینورترى لذت خواهید برد .
دیگر برترى دستگاههاى اینورترى ، بهره ورى اقتصادى آنها مى باشد . بعنوان مثال، مقدار جریان اولیه در یک دستگاه اینورتر
سه فاز با جریان خروجى ۲۰۰ آمپر، ۱۲ آمپر مى باشد. اما این جریان در مدل هاى ترانسفورمر معمولى حدود ۱۸ آمپر در جریانهاى مشابه است . اگر چه گاهى اوقات در زمینه صرفه جویى در تبدیل سیستم هاى ترانسفورمر به اینورتر اغراق مى شود.
اما میتوان گفت شما بطور سالیانه حداقل % ۱۵ و بسته به سایر شرایط تا % ۳۰ در زمینه نیروى مصرفى ، کاهش هزینه خواهید بسیار یکنواخت و عارى از هرگونه نوسانات DC ورودى به دستگاه ، در سیستم اینورترى به یک AC داشت .

دیگر کاربردها و مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :
**تنظیم کننده سرعت موتور (کنترل دور)
**تغیر دهنده جهت دور به راحتی و بدون نیاز به کنتاکتور
**روشن و خاموش نمودن موتور بدون نیاز به قطع و وصل برق اصلی
**کاهش ضربه های مکانیکی و در نتیجه افزایش طول عمر مفید قسمت مکانیکی
**حفاظت موتور در مقابل افزایش ولتاژ و جلوگیری از آسیب دیدن موتور

راه اندازی نرم موتور بدون هیچگونه ضربه به قسمتهای مکانیکی مثل کوپلینگها ، گیر بکسها ، تسمه ها ، زنجیرها و … و در نتیجه افزایش طول عمر مفید موتور و سایر قسمتهای مکانیکی را به دنبال خواهد داشت .
حفاظت موتور در برابر اضافه بار؛ در این حالت چنانچه بار موتور از مقدار معمول مجاز بیشتر شود ، اینورتر موتور را خاموش می نماید و به کاربر پیام اضافه بار نشان می دهد .

جلوگیری از گرم کردن و در نهایت سوختن موتور در کابرد هایی که موتور به طور مداوم چپگرد و راستگرد و یا خاموش می شود
همچنین چون در بسیاری از کاربر دها انرژی زیادی برای راه اندازی لازم است موتور انتخاب شده را با توان بالاتری انتخاب می کنند بنابراین میزان جریان زیادتری هم در حین کار از شبکه استفاده می کند .
چنانجه از اینورتر استفاده شود ، اینورتر به صورت کاملا اتوماتیک این جریان را در حین راه اندازی به مقدار لازم افزایش و در حین کار به مقدار لازم کاهش می دهد ، بنابراین به طور کلی هزینه برق مصرفی ک اهش چشم گیری خواهد داشت .
در بسیاری از کاربردها به هنگام راه اندازی ،‌موتور جریان بسیار بالایی از شبکه می کشد و موجب کاهش ولتاژ شبکه و ایجاد صدماتی به تاسیسات برق رسانی و سایر دستگاهها می گردد . این جریان به ۶ برابر جریان نامی موتور می رسد که بسیار نا مطلوب می باشد .
چنانچه از اینورتر استفاده شود این اضافه جریان بسیار اندک خواهد شد ( حداکثر ۰٫۲ برابر ) به عنوان مثال اگر یک موتور با جریان نامی ۱۰آمپر کار کند در هنگام راه اندازی این جریان به ۶۰آمپر می رسد و در صورت استفاده از اینورتر این جریان حداکثر به ۱۲آمپر می رسد .
کاهش جریان موتور به صورت اتوماتیک در هنگامی که بار موتور کم می شود . این قابلیت به غیر از کاهش هزینه برق مصرفی موجب افزایش طول عمر مفید موتور خواهد شد .
امکان استفاده از برق تکفاز ۲۲۰ ولت به جای سه فاز ۳۸۰ ولت برای راه اندازی موتور سه فاز حداکثر با توان ۳HP ( 2.2kw ). به این معنا که می توان با برق خانگی یک موتور سه فاز را کاملا به صورت عادی راه اندازی نمود .
قابلیت داشتن دورهای مختلف به صورت حافظه ای .تبدیل یک موتور یک دور به یک موتور چند دور با سرعتهای دلخواه ،امکان ایجاد فشار ثابت در کاربرد پمپها به این ترتیب است که با تغییر دور موتور فشار مورد نظر را ثابت نگه میدارد . به عنوان مثال فشار آب یک مخزن را ثابت نگه می دارد بنابراین در هنگام مصرف آب دور موتور به صورت خودکار زیاد می شود و در هنگامی که آب مصرف نمی گردد دور موتور به صورت خودکار کاهش می یابد . بنابراین دور موتور با مقدار مصرف تغییر می نماید بنابراین آب با فشار ثابت به تمام نقاط می رسد .
مکان اتصال انکدر به اینورتر که باعث می شود دور یک موتور با موتور دیگر یکسان شود .کنترل دور به صورت خودکار در مواردی که لازم است دور موتور بسته به میزان محصول تولید شده تغییر کند . استفاده از اینورترها بر روی پمپ و فن و کمپرسورها در طی سال های اخیر بسیار گسترش یافته است .استفاده از آنها برای کنترل دور موتورها مزایای زیادی دارد که مهمترین آنها عبارتند از :
۱- عدم نیاز به دستگاههای کنترل دبی مکانیکی.
۲- ذخیره انرژی تا ۵۰%
۳- نبودن شوک راه اندازی.
۴- افزایش عمر مفید قطعات مکانیکی.
از اینورترها در سه ناحیه استفاده می گردد :
۱- فعالیتهای گشتاور ثابت مثل میکسرها , اکسترودرها , نوارهای نقاله و . . .
۲- فعالیتهای توان ثابت مثل کشش و دستگاههای ماشینی.
۳- فعالیتهای گشتاور متغیر مثل فن و پمپ.
در پمپها و فنها میزان دبی با سرعت موتور متناسب است. اما توان مصرفی با مکعب سرعت تناسب دارد. مثلاً اگر دور موتور به میزان ۵۰% کاهش یابد آنگاه توان مصرفی لازم ۱۲٫۵% خواهد بود و این به مفهوم ۸۷٫۵% صرفه جویی در انرژی است.

درایو های AC دور متغیر:

درایو های AC دور متغیر ، سیستمهای کنترل سرعت موتور های AC می باشند .

درایو های AC هم سرعت موتور های القایی و هم سرعت موتور های سنکرون را با تنظیم فرکانس تغذیه ی موتور کنترل می کنند . درایو های AC با عناوین: درایو های تنظیم سرعت (ASD) ، یا درایوهای تنظیم فرکانس (AFD) ، یا درایوهای فرکانس متغیر(UFD)، یا درایو سرعت متغیر (VSD) و یا همه مبدلهای فرکانس (FC) نیز شناخته می شوند .

اولین موتور AC در سال ۱۸۹۹ طراحی شد. موتور های AC با استفاده از القای الکترومغناطیسی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. قطعا سرعت ثابت در تمامی پروسه ها وکاربردها مناسب نیست و لازم است که بتوان سرعت را متناسب با نیاز تغییر داد .

ماشین آلات صنعتی اغلب با موتور های که دارای تجهیزاتی جهت تنظیم سرعت می با شند، کار می کنند . چنین موتور هایی دارای ابعاد بزرگتر و توان های بالاتری نسبت به موارد مشابهی که در دریلهای الکتریکی و مخلوط کنها بکار می روند دارند .این موتور ها معمولا در یک سرعت ثابت به کار می روند. در صورتیکه نیاز به کنترل سرعت باشند از درایو AC (سرعت متغیر) استفاده می شود .درایوهای AC در کاربرد های گوناگون صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. بعنوان یک مثال ساده درایو های AC اغلب همراه با فنها جهت تنظیم جریان هوا در سیستم های بزرگ گرمایش و هوای مطبوع مورد استفاده قرار می گیرد جریان آب و مواد شیمیایی در پروسه های صنعتی اغلب، با تنظم سرعت پمپها کنترل می شود .

بعلاوه درایو های AC دور متغیر معمولادر کاربردهای پیچیده محیط های نامناسب و سخت نظیر میلهای کاغذ، کندن تونل ، دستگاه های دریل در صنعت نفت و یا معدن نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

کنترل پروسه و کاهش مصرف انرژی دو دلیل اولیه برای استفاده از درایوهای AC می باشد. درایوهای AC در اصل برای کنترل پروسه ساخته شدند ، اما کاهش مصرف انرژی نیز به همان میزان دارای اهمیت است

سیستم VFD چیست؟!
موتورهای استفاده شده در سیستم VFD معمولاً سه فاز هستند. سیستم کنترل کننده فرکانس به وسیله اپراتور فرمان گرفته و توان AC را به یک توان AC با فرکانس متغیر تبدیل می‌کند.
در این حالت ابتدا سیگنال AC به DC تبدیل شده و سپس دوباره توسط اینورتر به AC تبدیل می‌شود. ولتاژ اعمال شده طبق مشخصه موتور به این موتور الکتریکی باید دارای رابطه زیر باشد ( n عدد ثابت )
n=v/f
مثلاً یک موتور با مشخصه عملکرد ۴۶۰ ولت و فرکانس ۶۰ هرتز چنان چه فرکانسش به ۳۰ هرتز تغییر کرد می بایست ولتاژش نیز به ۲۳۰ ولت کاهش یابد تا ضریب n ثابت بماند. برای کنترل این فرآیند از مدولاسیون معروف PWM استفاده می‌شود.
عملکرد واسط اپراتور در سیستم VFD:
اپراتور به وسیله یک صفحه کلید و یک صفحه نمایش (LCD) بر کارکرد موتور کنترل دارد. این کنترلرها معمولاً عبارتند از:
۱- استارت و استاپ موتور الکتریکی
۲- بر عکس کردن جهت چرخش موتور
۳- سوئیچ کردن بین حالت دستی یا حالت اتوماتیک کنترل دور موتور
(چنانچه عمل کنترل قرار باشد از طریق کامپیوتر انجام شود نیاز به یکی از پروتکل های ارتباط سریال داریم) شروع کار موتور به این صورت است که ابتدا به موتور یک ولتاژ همراه با فرکانس پائین (مثلاً ۲ هرتز) داده می‌شود تا از شوکهای اولیه وارده به موتور در هنگام استارت جلوگیری شود. چنانچه موتور به این صورت استارت نشود در ابتدای کار جریان کشیده شده تا ۳ برابر مقدار نامی افزایش می یابد. یک سیستم VFD با روش استارت درست می تواند ۱۵۰% گشتاور شروع را تنها با کشیدن ۱۵۰% جریان ایجاد کند. بعد از مرحله استارت، فرکانس و ولتاژ توسط اپراتور یا کامپیوتر جهت افزایش سرعت موتور زیاد می‌شود.

دیگر کاربردها و مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :
نظیم کننده سرعت موتور
تغیر دهنده جهت دور به راحتی و بدون نیاز به کنتاکتور
روشن و خاموش نمودن موتور بدون نیاز به قطع و وصل برق اصلی
کاهش ضربه های مکانیکی و در نتیجه افزایش طول عمر مفید قسمت مکانیکی
حفاظت موتور در مقابل افزایش ولتاژ و جلوگیری از آسیب دیدن موتور
راه اندازی نرم موتور بدون هیچ گونه ضربه به قسمتهای مکانیکی مثل کوپلینگ ها ، گیر بکس ها ، تسمه ها ، زنجیرها و … و در نتیجه افزایش طول عمر مفید موتور و سایر قسمتهای مکانیکی را به دنبال خواهد داشت .
حفاظت موتور در برابر اضافه بار؛ در این حالت چنانچه بار موتور از مقدار معمول مجاز بیشتر شود ، اینورتر موتور را خاموش می نماید و به کاربر پیام اضافه بار نشان می دهد .
جلوگیری از گرم کردن و در نهایت سوختن موتور در کابرد هایی که موتور به طور مداوم چپگرد و راستگرد و یا خاموش می شود
همچنین چون در بسیاری از کاربردها انرژی زیادی برای راه اندازی لازم است موتور انتخاب شده را با توان بالاتری انتخاب می کنند بنابراین میزان جریان زیادتری هم در حین کار از شبکه استفاده می کند .
چنانجه از اینورتر استفاده شود ، اینورتر به صورت کاملا اتوماتیک این جریان را در حین راه اندازی به مقدار لازم افزایش و در حین کار به مقدار لازم کاهش می دهد ، بنابراین به طور کلی هزینه برق مصرفی کاهش چشم گیری خواهد داشت .
کاهش جریان موتور به صورت اتوماتیک در هنگامی که بار موتور کم می شود . این قابلیت به غیر از کاهش هزینه برق مصرفی موجب افزایش طول عمر مفید موتور خواهد شد .
امکان استفاده از برق تکفاز ۲۲۰ ولت به جای سه فاز ۳۸۰ ولت برای راه اندازی موتور سه فاز حداکثر با توان ۳HP ( 2.2kw ). به این معنا که می توان با برق خانگی یک موتور سه فاز را کاملا به صورت عادی راه اندازی نمود .
قابلیت داشتن دورهای مختلف به صورت حافظه ای .تبدیل یک موتور یک دور به یک موتور چند دور با سرعتهای دلخواه ،امکان ایجاد فشار ثابت در کاربرد پمپها به این ترتیب است که با تغییر دور موتور فشار مورد نظر را ثابت نگه میدارد . به عنوان مثال فشار آب یک مخزن را ثابت نگه می دارد بنابراین در هنگام مصرف آب دور موتور به صورت خودکار زیاد می شود و در هنگامی که آب مصرف نمی گردد دور موتور به صورت خودکار کاهش می یابد . بنابراین دور موتور با مقدار مصرف تغییر می نماید بنابراین آب با فشار ثابت به تمام نقاط می رسد .
مکان اتصال انکدر به اینورتر که باعث می شود دور یک موتور با موتور دیگر یکسان شود .کنترل دور به صورت خودکار در مواردی که لازم است دور موتور بسته به میزان محصول تولید شده تغییر کند . استفاده از اینورترها بر روی پمپ و فن و کمپرسورها در طی سال های اخیر بسیار گسترش یافته است .استفاده از آنها برای کنترل دور موتورها مزایای زیادی دارد که مهمترین آنها عبارتند از :
۱- عدم نیاز به دستگاههای کنترل دبی مکانیکی.
۲- ذخیره انرژی تا ۵۰%
۳- نبودن شوک راه اندازی.
۴- افزایش عمر مفید قطعات مکانیکی.

ذخیره ی انرژی با استفاده از درایو های AC :

مصرف انرژی اغلی در درایو های AC کمتر از کاربردهای سرعت ثابت است. پمپها و فنها دارای بیشترین مصرف انرژی می باشند. در صورتیکه یک فن با سرعت ثابت کار کند ممکن است که جریان هوا گاهی اوقات بیشتر از مقدار مورد نیاز باشد. جریان هوای اضافی را می توان با یک دمپر محدود نمود اما مفیدتر آنست که بتوان جریان هوا را با تنظیم سرعت موتور ، تنظیم نمود.

تنظیم سرعت بعنوان وسیله ای جهت کنترل پروسه :

موارد زیر فواید کنترل پروسه با استفاده از درایوهای AC می باشند :

مثال :

درایو AC عملکرد یکنواخت تری در مقایسه با کارکردهای دمر ثابت دارد. برای مثال در یک ایستگاه انتقال فاضلاب ، فاضلاب از طریق لوله های ، تحت نیروی گرانشی ، به یک چاه منتقل می شود. و از این پخش به پروسه تصفیه پمپ می شود.

در صورت استفاده از پمپهای سرعت ثابت ، پمپها به گونه ای تنظیم می شوند که در صورتیکه مایع داخل چاه به حد بالای مشخصی رسید استارت شده و در صورتیکه سطح آن به حد پایین رسیده استپ شوند. این روشن ، خاموش شدنهای پیوسته پمپها موجب کشیده شدن جریان الکتریکی بالا هنگام استارت موتور و در نتیجه ایجاد تنشهای گرمایی و الکترو مغناطیسی در موتور و تجهیزات کنترل قدرت میگردد. پمپها و لوله ها تحت فشارهای مکانیکی و هیدرولیکی قرار می گیرند . پروسه تصفیه فاضلاب دارای مجموعه ای از تنشها در طول انتقال فاضلاب می باشد .

در صورت استفاده از درایوهای AC ، پمپها بصورت پیوسته کار می کنند و سرعت آنها با افزایش سطح مایع در چاه افزوده می شود. بدین ترتیب جریان ورودی با جریان خروجی متناسب گشته و پروسه بصورت یکنواخت انجام می گیرد.

ساخت دستگاه اینورتر:

در دستگاه های دیجیتالی ما با دو مقدار سر و کار داریم که ۰ و ۱ می باشد.عدد یک عنی ولتاژ وجود دارد (معمولا ۵ ولت) و عدد ۰ یعنی ولتاژ صفر است.

اینورتر یکی از دستگاه های دجیتال اسای در الکترونیک مدرن است.اینورتر یا معکوس کننده همانطور که از نامش پیداست خروجی را بر عکس یا متضاد با ورودی کند.برای مثال اگر ورودی ۰ باشد خروج ۱ خواهد شد و اگر ۱ باشد صفر خواهد شد.

خروجی    ورودی
۰           ۱
۱           ۰

مدار ترانزیستوری که قبلا ساختیم می تواند یک اینورتر باشد.برای واضح شدن طرز کار اینورتر ما مداری با دو ترانزیستور می سازیم.در شکل زیر می توانید اینورترها را مشاهده کنید:

برای ساخت مدار,از مدار ترانزیستوری که قبلا ساخته ایم به عنوان اینورتر اول استفاده کنید.ورودی اینورتر اول سر مقاومت ۱۰۰ اهمی می باشد که به سیم پرشی زرد متصل شده است.اینورتر دوم را هم همانند اینتوتر اول بسازید.فقط سیم پرشی زرد را به مقاومت ۱۰۰ اهمی (ورودی اینورتر) وصل نکنید.

حال خروجی اینورتر اول را به ورودی اینورتر دوم با قرار دادن یک سر سیم پرشی در سطری یکسان با مقاومت ۲٫۲ کیلو اهمی و کلکتور ارنزیستور (خروجی اینورتر اول) و سر دیگر سیم را در سطری یکسان با مقاومت ۱۲۰۰ اهمی اینورتر دوم (ورودی اینورتر دوم) قرار دهید.

حالا ورودی اینورتر اول را (سیم زرد پرشی)به منبع ۱۲ ولت (سطر مثبت)متصل کنید.ال ای دی اینورتر اول باید روشن شود و ال ای دی اینورتر دوم خاموش باقی بماند.حالا ورودی اینورتر اول را به ۰ ولت (سطر زمین) متصل کنید.ال ای دی اول باید خاموش و ال ای دی دوم روشن شود.اگر این اتفاق نیافتد بدون لمس کردن قسمت های فلزی و رسانا مدار را بررسی کنید.

ورودی اینورتر می تواند ۱۲ ولت یا ۰ ولت باشد.هنگامی که ورودی اینورت ۱۲ ولت است,ترانزیستور اول روشن شده و ال ای دی اول نیز روشن می شود و ولتاژ خروجی اینورتر ۰٫۲ ولت خواهد بود.خروجی اینورتر اول به ورودی اینورتر دوم متصل است پس ۰٫۲ ولت ولتاژ ورودی اینورتر دوم است و این ولتاژ برای روشن نمودن ترانزیستور اینورتر دوم کافی نیست و ترانزیستور آن خاموش خواهد ماند.به مدار زیر توجه کنید:

هنگامی که ورودی اینورتر اول ۰ ولت شود,ترانزیستور اول خاموش شده و ال ای دی نیز بسیار کم نور خواهد شد.در اینجا هنوز مقدار کمی جریان وجود دارد که از ال ای دی به اینورتر دوم جاری می شود.ولتاژ در خروجی اینورتر اول افزایش می یابد و تر انزیستور اینورتر دوم را روشن می کند و با روشن شدن ترانزیستور اینورتر دوم ال ای دی آن نیز روشن خواهد شد.برای پیدا کردن مقدار ولتاژ در خروجی اینورتر اول (که ۱۰٫۴ ولت است) از قانون اهم استفاده کنید.در اینجا جریانی از ترانزیستور جاری نمی شود و جریان از مسیر ال ای دی و مقاومت ۲٫۲ کیلو اهمی و ۱۰۰ اهمی به ترانزیستور دوم و زمین می آید.ولتاژ در طرف منفی ال ای دی ۱۰٫۶ ولت است و ولتاژ در بیس ترانزیستور دوم ۰٫۶ ولت می باشد.

تذکر:هنگام کار با مدار ها جدا احتیاط کنید و نکات ایمنی را رعایت نمایید و تا جاییکه امکان دارد از افراد آشنا به برق راهنمایی بطلبید.

شکل موج خروجی:

کلید در اینورتر ساده ی توضیح داده شده در بالا یک شکل موج ولتاژ مربعی تولید می کند. در عوض موج سینوسی که شکل موج متداول منبع تغذیه AC است. با استفاده از تحلیل فوریه ، شکل موج متناوب متشکل از مجموعی از بی نهایت سری از موج های سینوسی است. موج سینوسی که همان فرکانس را دارد به عنوان شکل موج اصلی ، مولفه ی اصلی نامیده می شود. شکل موج های سینوسی دیگر ، هارمونیک نامیده می شوند ، که شامل یک سری با مضارب صحیح فرکانس اصلی هستند. کیفیت شکل موج خروجی اینورتر می تواند برای محاسبه اعوجاج هارمونیکی کل (THD) با استفاده از اطلاعات آنالیز فوریه بیان شود. اعوجاج هارمونیکی کل جذر مجموع مربعات ولتاژ هارمونیک ها تقسیم بر ولتاژ اصلی است.
کیفیت شکل موج خروجی که از یک اینورتر مد نظر است به مشخصات مصرف کننده وابسته است. بعضی مصرف کننده ها برای کارکرد صحیح به منبع ولتاژ تقریبا سینوسی کامل نیاز دارند. مصرف کننده های دیگر ممکن است با ولتاژ مربعی خیلی خوب کار کنند.

هشدار

برخی از اینورتر های با توان پایین دراری هشداری مبنی بر عدم استفاده از آنها برای روشن کردن لامپهای فلورسنت معمولی هستند. دلیل این هشدار این است که خازن تصحیح توان به صورت موازی با لامپ وصل شده است. با برداشتن خازن مشکل رفع خواهد شد.

منابع:

تبیان

تارنما مرکز تحقیقات و فناوری اتوماسیون صنعتی ایران

ام ۳۲

وبلاگ پارس اتوماسیون

تارنما آبشاران معماری داخلی

تارنما شرکت مهندسی کنترل دور پارسیان