طرز کار اینورتر و درایو
با پیشرفت فناوری‌های انرژی و افزایش نیاز به منبع تغذیه قابل اعتماد، استفاده از اینورترها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. […]
با پیشرفت فناوری‌های انرژی و افزایش نیاز به منبع تغذیه قابل اعتماد، استفاده از اینورترها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. در این مقاله به بررسی اصول عملکرد و طرز کار اینورترها و همچنین اصول کار درایوها را تحلیل می‌نماییم. پس از شناخت این دو دستگاه، بهتر می‌توان به بیان عملکرد و طرز کار انواع اینورتر بپردازیم.
عملکرد اینورتر
اینورتر و درایو معمولا یکسان درنظر گرفته می‌شوند. اما در حقیقت این دو دستگاه با یکدیگر متفاوت هستند. درواقع اینورتر جزئی از درایو حساب می‌شود که تنها توانایی معکوس کردن جریان مستقیم به متناوب را دارد. به همین دلیل به آن مبدل جریان مستقیم به متناوب نیز می‌گویند. همچنین در اینورترها تنها می‌توانیم ولتاژ و توان خروجی مشخص کنیم و برخلاف درایوها قطعه متحرکی ندارد.
درواقع اینورتر امکان تبدیل جریان مستقیم DC به جریان متناوب AC را فراهم می‌کند. این تبدیل در سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی مانند تجهیزات صنعتی و خانگی بسیار اهمیت دارد. چراکه بسیاری از تجهیزات مصرفی نیاز به جریان AC دارند، در حالی که منابع انرژی مانند باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی جریان DC تولید می‌کنند. جهت شرح طرز کار اینورتر ابتدا ساختار کلی این دستگاه را معرفی می‌کنیم.
- منبع DC: منبع جریان مستقیم که می‌تواند باتری، پنل خورشیدی و یا دیگر منابع جریان مستقیم باشد.
- کلیدهای الکترونیکی: این کلیدهای تغییر دهنده وظیفه تغییر جهت جریان DC را برعهده داردند و می‌توانند ترانزیستور، IGBT و یا MOSFET باشد.
- مدار کنترل: این بخش وظیفه تولید شکل موج خروجی مورد نظر و هماهنگی کلیدها را برعهده دارد. اغلب اینورترها از تکنیک مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می‌کنند.
- فیلتر خروجی: این بخش معمولا از سلف و خازن جهت کاهش هارمونیک‌ها و تبدیل شکل موج پله‌ای به تقریبی سیسنوسی تشکیل شده است.
طرز کار اینورتر
به طور کلی اینورتر ابتدا جریان مستقیم DC را از منابع تغذیه دریافت می‌کند. سپس با استفاده از سوئیچ‌ها که به سرعت روشن و خاموش می‌شوند جریان DC را به جریان متناوب AC تبدیل می‌کند. این سوئیچ‌ها با تغییر جهت جریان شکل موج متناوب را تولید می‌کنند. جهت شرح طرز کار تخصصی اینورترها نیاز است با مباحث مختلفی که در ادامه به آن‌ها پرداخته‌ایم آشنا شوید.
انواع موج خروجی اینورتر
اینورترها براساس موج خروجی به چهار نوع تقسیم‌بندی می‌شوند که مستقیما بر عملکرد تجهیزات الکتریکی، بازده انرژی و طول عمر آن‌ها تاثیر گذار هستند. در ادامه به معرفی هریک از آن‌ها می‌پردازیم.
- موج مربعی (Square Wave Inverter): ساده‌ترین نوع موج خروجی که ولتاژ آن فقط بین +V و -V تغییر می‌کند. طراحی بر اساس این نوع موج به دلیل سادگی ارزان می‌باشد و بازدهی نسبتا بالایی به دلیل سوییچینگ ساده دارد. اما به دلیل حجم زیاد اعوجاج هرمونیکی THD (میزان انحراف شکل موج) برای تجهیزات حساس مناسب نیستند و بیشتر در لامپ‌های رشته‌ای و دیگر تجهیزات با بارهای مقاومتی ساده کاربرد دارند.
- موج شبه‌سینوسی (Modified Sine Wave): شکل این موج ترکیبی از موج مربعی با چند سطح ولتاژ می‌باشد. طراحی براساس این موج ساده‌تر از سینوسی خالص است و هزینه کمتری نسبت به اینورترهای پیشرفته نیاز دارد. در بسیاری از وسایل خانگی مانند شارژها و تلویزیون کاربرد دارد اما در برخی تجهیزات مانند فن‌ها و موتورها ایجاد نویز می‌کند.
- موج سینوسی خالص (Pure Sine Wave): موج تشکیل شده دقیقا مشابه برق شهری AC با تفاوت اعوجاج‌های بسیار کمتر می‌باشد. این نوع موج بهترین کیفیت توان الکتریکی را دارد و برای تمامی تجهیزات حساس مناسب است، همچنین بازده بالاتری را در موتورهای القایی ایجاد می‌کند. با توجه به مدار پیچیده طراحی شده‌ی آن گران‌تر از انواع موج دیگر است. اینورترهایی با موج خروجی سینوسی در تجهیزات پزشکی و موتورهای صنعتی کاربرد فراوانی دارند.
روش‌های تبدیل DC به AC
اصلی‌ترین وظیفه اینورتر تغییر جهت جریان به طور متناوب است. این تبدلی به دو روش اصلی انجام می‌شود که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.
- تبدیل مستقیم: جریان مستقیم DC توسط کلیدهای قدرت به جریان AC تبدیل می‌شود. کلید و یا دیودها به طور متناوب روشن و خاموش می‌شوند تا جریان DC را در جهت‌های مشخصی هدایت کند. استفاده از این روش در اینورترهای کم قدرت رایج است.
- تبدیل غیرمستقیم: این روش از دو مرحله تشکیل شده است. ابتدا ولتاژ DC به AC با فرکانس بالا تبدیل شده، سپس با استفاده از مدارهای کنترل و فیلتر، به تولید جریان AC با فرکانس و ولتاژ مورد نیاز پرداخته می‌شود.
کنترل به روش مدولاسیون پهنای پالس PWM
تکنیکی پرکاربرد است که برای تولید شکل موج سینوسی از جریان AC مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش کنترلی، زمان روشن و خاموش شدن دیودها و تولید پالس را تغییر می‌دهند و عرض پالس خروجی تغییر می‌کند. نتیجه این فرآیند، ایجاد سیگنال آنالوگ متغییر می‌باشد. در این روش فرکانس سیگنال ثابت می‌ماند ولی عرض پالس تغییر می‌کند و کاهش هارمونیک‌ها را به همراه دارد.
عملکرد درایو VFD
این تجهیز نوعی کنترل کننده موتورهای الکتریکی به حساب می‌آید. وظیفه درایو تنظیم سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی AC به واسطه تغییر همزمان ولتاژ و فرکانس می‌باشد. این دستگاه با تنظیم فرکانس و ولتاژ ورودی درواقع توانایی کنترل سرعت را فراهم می‌کند.
طرز کار درایو
درایو فرکانس متغییر به طور هوشمند بین منبع تغذیه AC و موتور القایی یا سنکرون قرار می‌گیرد. وظیفه این تجهیز به خصوص در اتوماسیون صنعتی ،اطلاح و بازتولید انرژی الکتریکی است تا الکتروموتور مدنظر بتواند در سرعت و گشتاور مورد نیاز عملکرد کارآمدی داشته باشد. باید افزود که نصب ونحوه تنظیم آن‌ها بسیار پیچیده می‌باشد و نیاز است جهت آموزش درایو به تخصصی به سراغ افراد باتجربه در این حوزه برویم. در ادامه به شرح مراحل طرز کار درایوها می‌پردازیم.
مبدل AC به DC
برق متناوب ورودی به درایو، بسته به تعداد فاز آن، ابتدا وارد بخش یکسوکننده و یا Converter شده و جریان AC به شکل موج جریان مستقیم، تبدیل می‌شود. این بخش از تعدادی دیود تشکیل شده است که وظیفه یکسوسازی جریان را دارند و به طور کلی، امکان عبور جریان را فقط از یک جهت را فراهم می‌کنند. با باز و بسته شدن متوالی دیودها، پالس جریان DC تولید می‌شود. درایوها را بر اساس تعداد این دیود ها و پالس تولید شده آن‌ها نیز می‌توان دسته‌بندی نمود.
صافی خازنی و یا DC Bus
ولتاژ DC خروجی از بخش مبدل دارای ریپل‌ها و یا نوسانات AC می‌باشد. در بخش باس ،خازن‌ها وظیفه صاف کردن موج و حذف این ریپل‌ها را برعهده دارند تا ولتاژ DC تقریبا پیدار و صاف ایجاد شود.
مبدل DC به AC
ولتاژ DC پایدار شده توسط کلیدهای قدرت الکترونیکی ( IGBT یا MOSFET) دوباره به AC تبدیل می‌شوند، با این تفاوت که فرکانس و دامنه ولتاژ قابل تغییر هستند. کنترل این بخش بر عهده اینورتر می‌باشد، که با تکنیک‌های مختلف کنترل مانند مدولاسیون پهنای پالس و مدارات سوئیچینگ فرکانس بالا استفاده می‌کنند که ولتاژ DC صاف شده را به شکل موج سینوسی مربعی با ولتاژ و فرکانس دلخواد تبدیل می‌کند.
طرز کار اینورتر سه فاز
اینورتر سه فاز از شش کلید قدرت (IGBT / MOSFET) که به صورت پل سه فاز چیده شده‌اند تشکیل شده است که هر فاز موتور به وسط یک جفت کلید متصل می‌شود. کلیدها طبق الگو مدولاسیون PWM روشن و خاموش می‌شوند و در هر لحظه یکی از کلیدهای بالا و یکی از کلیدهای پایین روشن است تا اختلاف ولتاژ مناسب را ایجاد کنند. به این ترتیب سه شکل از موج AC تشکیل می‌شود که با اتلاف فاز 120 درجه نسبت به هم قرار دارند ،با ارسال این موج‌ها به تجهیزات صنعتی و یا موتور، گردش یکنواخت و پرقدرت موتور را شاهد هستیم.
طرز کار اینورتر تک فاز
در این نوع از درایوها از دو و یا چهار کلید الکترونیکی (IGBT / MOSFET) در حالت نیم‌پل و یا تمام‌پل تشکیل شده‌اند. برق تک فاز به وسط یک جفت کلید متصل می‌شود و خروجی جریان این نوع اینورتر می‌تواند تک فاز و یا سه فاز تا توان چهار کیلووات باشد. در این نوع درایو نیز از روش PWM برای کنترل موج خروجی استفاده می‌شود، اما به دلیل قدرت پایین این دستگاه‌ها، معمولا در لوازم برقی موچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مزایای استفاده از درایو
بنا بر توضیحات داده شده، درایوها با تبدیل و بازتولید انرژی الکتریکی، شرایطی را فراهم می‌کنند که موتور بتواند متناسب با نیاز فرآیند صنعتی کار کند. این قابلیت نه تنها باعث بهینه‌سازی مصرف انرژی می‌شود، بلکه منجر به افزایش بهره‌وری، کاهش استهلاک مکانیکی و بهبود ایمنی سیستم نیز خواهد شد. به همین دلیل، درایوها امروزه به یکی از اجزای جدانشدنی در سیستم‌های کنترلی و اتوماسیون صنعتی تبدیل شده‌اند. باید توجه داشت که کوچکترین خطایی در نحوه کارکرد درایوها می‌تواند، آسیب‌های بزرگی به افراد و تجهیزات وارد نماید فپس درصورت کوچکترین خطایی سریعا به تعمیر درایو توسط افراد متخصص اقدام نماییم. در ادامه به مزیت‌های استفاده از درایو می‌پردازیم.
- کنترل سرعت و موتورهای الکتریکی
- صرفه‌جویی در مصرف انرژی
- بهبود طول عمر تجهیزات
- بهره‌مندی از قابلیت‌های محافظتی
- بهره‌مندی از قابلیت‌های کنترل پیشرفته
- کاهش هزینه تعمیر و نگهداری
- بهبود کیفیت توان
- افزایش انعطاف‌پذیری در فرآیندهای مختلف
نظرات کاربران