روش محاسبه توان اینورتر

اینورترها به عنوان یکی از اصلی‌ترین اجزاء سیستم‌های قدرت و الکترونیک قدرت، وظیفه تبدیل جریان مستقیم DC به جریان متناوب AC را برعهده دارند. در تحلیل عملکرد اینورترها، درک تفاوت توان خروجی و وردی آن، به فهم راندمان و تلفات کمک بزرگی می‌کند. در این مقاله به روش محاسبه توان اینورتر، پارامترهای موثر و روش‌های ریاضی و عملی اندازه‌گیری توان همراه با ارتباط آن‌ها با راندمان و شرایط بار را بررسی می‌کنیم.

مبانی تئوری و روش محاسبه توان اینورتر

توان نشان‌دهنده میزان انرژی منتقل شده در واحد زمان می‌باشد و در اینورترها به دلیل تبدیل از DC به AC، تحلیل آن کمی پیچیده‌تر از مدارهای ساده DC است. توان نامی و واقعی اینورتر می‌تواند تفاوت معناداری داشته باشد. این اختلاف ناشی از راندمان، اعوجاج هارمونیکی، دما کاری و نوع بار متصل، می‌باشد.درنتیجه محاسبه توان اینورتر، نه‌تنها در مرحله طراحی و انتخاب، بلکه در مرحله بهره‌برداری نیز ضروری است. در آموزش درایو نیاز به شناخت دقیق این پارامترها و روش‌های محاسبه دقیق آن‌ها دارید. در ادامه به معرفی پارامترهای تاثیر گذار و نحوه محاسبه آن‌ها می‌پردازیم.

محاسبه توان ورودی

توان ورودی، انرژی الکتریکی است که از منبع DC مانند پنل خورشیدی و یا باتری، به اینورتر وارد می‌شود. این توان از منبع DC به درایو می‌باشد که نشان‌دهنده انرژی وارد شده به اینورتر می‌باشد. تلفات داخلی، اعوجاج و راندمان کمتر از 1 باعث می‌شوند که توان خروجی کمتر از توان ورودی باشد. در عمل به دلیل نوسانات منبع، باید از مقدار میانگین یا RMS استفاده شود.

I(dc) × V(d) = P(in)

محاسبه توان خروجی

توان خروجی همان توان AC است که اینورتر به بار تحویل می‌دهد. با توجه به نوع بار (مقاومتی، القایی و یا ترکیبی) توان خروجی به سه بخش تقسیم می‌شود. در اینورترها شکل موج ولتاژ و جریان ممکن است سینوسی کامل نباشد. به ویژه در درایوهای موج مربعی و یا شبه‌سینوسی شاهد شکل‌های مختلف موج هستیم. در ادامه فرمول‌های توان خروجی در موج‌های مختلف را ارائه می‌دهیم.

توان لحظه‌ای (حالت کلی)

این دقیق‌ترین تعریف توان حقیقی است که هیچ فرضی درباره شکل موج نداریم. توان لحظه‌ای تابع زمان و نوع موج می‌باشد. توان حقیقی خروجی از انتگرال توان لحظه‌ای بدست می‌آید. این حالت پایه و دقیق برای هر نوع موج می‌باشد.

P= 1/T∫i(t) ×v(t)dt

T: دوره تناوب ACV(t): ولتاژ لحظه‌ای خروجی اینورتر

توان متوسط یا حقیقی

در حالتی که موج خروجی سینوسی خالص باشد از رابطه معروف توان حقیقی در بارهای AC با ضریب توان استفاده می‌کنیم. این توان همان توان واقعی و مصرفی است که به گرما، حرکت، نور و یا کار مفید تبدیل می‌شود.

cosφ × I(rms) × V(rms) = P

φ : اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان است.

توان راکتیو

توان راکتیو: توانی که صرف تولید میدان مفناطیسی یا الکتریکی در بار القایی یا خازنی می‌باشد و بازگشت داده می‌شود. این توان به صورت واقعی مصرف نمیشود و فقط بین منبع و بار رفت و برگشت دارد.

sinφ × I(rms) ×V(rms) = Q

نکته: زاویه  اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را نشان می‌دهد. در بار مقاومتی،  و توان راکتیو نیز صفر می‌شود.

توان ظاهری

توان ظاهری S: توان کل در مدار بدون توجه به فاز ، که شامل توان مفید و غیر مفید است. در واقع ترکیب توان حقیقی و راکتیو به حساب می‌آید.

Q² + P² = S²

I(rms) ×V(rms) = S

توان ظاهری از این نظر مهم است که نشان می‌دهد اینورتر یا ژنراتور باید چه ظرفیتی داشته باشد. حتی اگر توان حقیقی (مصرف مفید) کمتر باشد، جریان اضافی به خاطر توان راکتیو یا هارمونیک‌ها باعث می‌شود که دستگاه بزرگتر انتخاب شود.

حالت عمومی RMS

اگر اطلاعاتی درمورد زاویه فاز نداشته باشیم و بخواهیم فقط ولتاژ و جریان RMS را اندازه‌گیری کنیم، از فرمول زیر استفاده می‌کنیم. در درایوها امکان دارد موج خروجی اعوجاج باشد، پس در این شرایط استفاده از این فرمول همراه با ضریب توان (PF) پیشنهاد می‌شود.

PF × I(rms) ×V(rms) = P

PF ممکن است فقط کسینوس فاز نباشد، بلکه شامل اثر هارمونیک‌ها هم شود.

محاسبه راندمان اینورتر

راندمان یک دستگاه، نسبت توان خروجی به ورودی است. عواملی مانند دما کاری، نوع کلید نیمه‌هادی، کیفیت شکل موج و بار متصل، راندمان را تغییر می‌دهند. هنگام خرید اینورتر جهت مصارف صنعتی، از راندمان آن که در بازه 80 تا 95 درصد باشد، اطمینان پیدا کنید.

η= P(out) / P(in) ×100

محاسبه نقش هارمونیک‌ها

درایوها در جریان خروجی خود، ولتاژ هارمونیک تولید می‌کنند، خصوصا در خروجی موج غیرسینوسی، این موج‌های اعوجاج افزایش پیدا می‌کنند. این ولتاژ هارمونیک باعث افزایش جریان RMS شده و توان حقیقی را کاهش می‌دهند. بنابراین برای محاسبه دقیق توان حقیقی، باید اثر هارمونیک‌ها در نظر گرفته شود.

I(3) + I(2) + I(1)=I(rms) +…√

• I(1): جریان اصلی سینوسی
• I(2)،I(3) و …: جریان هارمونیک‌ها

مثال محاسبه توان اینورتر

یک اینورتر خورشیدی را درنظر بگیرید که از داده‌های زیر تشکیل شده است. راندمان این درایو را محاسبه کنید.

• ولتاژ ورودی DC: V(dc) = 310V
• جریان ورودی DC: I(dc) = 9.5A
• ولتاژ خروجی AC: V(rms) = 220V
• جریان خروجی AC: I(rms) = 12A
• ضریب توان بار:= 0.92  cos

توان ورودی:

P(in) = 9.5 × 310 = 2945 

توان خروجی حقیقی:

P(out) = 220 × 12 × 0.92 = 2429W

راندمان:

η = 2429 / 2945 ×100 ≈ 82.5%

نکات مهم در روش محاسبه توان اینورتر

• در بارهای غیرمقاومتی باید توان راکتیو نیز در نظر گرفته شود.
• شکل موج خروجی (سینوسی خالص یا شبه‌سینوسی) روی دقت محاسبه اثر دارد.
• افزایش دما یا افت ولتاژ ورودی، توان خروجی را کاهش می‌دهد.
• در محاسبات صنعتی، THD(اعوجاج هارمونیکی کل) باید بررسی شود.

نگهداری درایو

درایوها از کلیدی‌ترین اجزا یک سیستم الکتریکی هستند، از این جهت نگهداری صحیح و پیشگیرانه از آن‌ها امری ضروری به حساب می‌آید. در نگهداری از اینورترها، بازرسی دوره‌ای، زدودن گرد و غبار، بررسی فن و هیت سینک و همچنین بررسی خازن‌ها و رله‌ها که نیاز به تعویض دوره‌ای دارند، تاثیر بالایی در راندمان و کارایی دستگاه دارد. همچنین ثبت و مستندسازی خطاها، استفاده از قطعات اورجینال در زمان تعمیر درایو و رعایت ایمنی برق فشار ضعیف ازملزومات نگهداری و مراقبت از اینورتر به حساب می‌آید.