اینورتر چیست؟ ✔

اینورتر چیست؟


اینورتر
، درایو، VFD، VSD، کنترل دور و… همگی نام هایی رایج برای پیچیده ترین و پیشرفته ترین تجهیز مرتبط با کنترل ماشین های الکتریکی هستند. اینورتر یک تجهیز الکترونیک قدرت است که به واسطه آن می توان سرعت موتورهای الکتریکی AC را کنترل کرد.
کنترل سرعت موتورهای القایی AC یا همان موتورهای آسنکرون، برخلاف موتورهای DC همواره با چالش مواجه بوده است. ماشین های DC معمولا دو سیم پیچ دارند (سیم پیچ های میدان و آرمیچر) به همراه جاروبک ها و کموتاتور، اما ماشین القایی فقط یک سیم پیچ استاتور دارد به همراه روتور. روتور معمولا از شیارهای رسانایی مانند آلیاژ آلومینیوم و مس روی هسته آهنی ساخته می شود. در موتورهای القایی خبری از جاروبک ها و کموتاتور نیست، به همین دلیل ماشین القایی ارزان تر، ساده تر و قابل اطمینان تر است. با این تفاسیر، تعجبی ندارد که چرا اکثر موتورهای مورد استفاده در صنایع مختلف دنیا موتورهای القایی هستند. اما اساس عملکرد یک ماشین القایی چیست، و چرا برای تغییر سرعت نیاز به اینورتر دارد؟


بررسی ترانسفورماتور سه فاز


برای شروع بهتر است به بررسی ترانسفورماتور سه فاز شکل زیر بپردازیم.

 

اینورتر لیان الکتریک ویرا
اگر به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور برق سه فاز متصل کنیم، یک جریان سینوسی در سیم پیچ اولیه جاری خواهد شد. این جریان موجب به القا شدن شار مغناطیسی در هسته آهنی ترانسفورماتور می شود، که این شار با موج ولتاژ سینوسی ورودی نوسان می کند. این نوسان در سیستم قدرت ایران دارای فرکانس ۵۰ Hz است.

این شار مغناطیسی متغیر موجب القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می شود و اگر به دو سر سیم پیچ ثانویه باری متصل باشد، جریان در سیم پیچ دوم جاری خواهد شد. نسبت تعداد دورهای سیم پیچ اولیه به ثانویه، تعیین کننده نسبت ولتاژ اولیه به ثانویه خواهد بود، و این کاربرد اصلی ترانسفورماتورهاست.

حال تصور کنید که سیم پیچ ها و هسته را جمع کنیم، یک فاصله هوایی اندک بین هسته اولیه و ثانویه به وجود آوریم و اجازه دهیم که سیم پیچ ثانویه که الان دیگر روتور نام دارد، آزادانه بچرخد. این اساس یک موتور القایی خواهد بود که در شکل زیر به نمایش در آمده است.

 

اینورتر،درایو،لیان الکتریک ویرا


حال زمانی که یک تغذیه سه فاز را به سیم پیچ اولیه (که دیگر استاتور نام دارد) متصل کنیم، همان پدیده ترانسفورمری قبلی رخ می دهد و جریان در سیم پیچ های روتور جاری خواهد شد. همانطور که ذکر شد، روتور معمولا دارای شیارهای رسانایی روی هسته آهنی است که در دو طرف اتصال کوتاه شده اند و نقش سیم پیچ ثانویه را بازی می کنند. از آنجا که روتور در این حالت شبیه یک قفس می شود، به این موتور گاها موتور قفس سنجابی نیز می گویند.

شکل زیر ساختار رایج یک موتور القایی را نشان می دهد.

 

اینورتر،موتور القایی،لیان الکتریک ویرا

 

حال اگر ما یک میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی ایجاد کنیم، می توانیم نیرویی داشته باشیم که بر اساس قانون دست چپ فلمینگ موجب چرخیدن روتور می شود، و این کلیت کارکرد یک موتور است. روتور سرعت می گیرد چون می خواهد دائما میدان مغناطیسی دوار استاتور که با فرکانس ۵۰ Hz برق تغذیه در حال نوسان است را دنبال کند و به آن برسد، در نتیجه این عمل ترانسفورمری تنها با برق AC امکان پذیر می باشد. حال اگر سرعت روتور به سرعت دوران یا نوسان میدان مغناطیسی استاتور برسد، دیگر نیروی برایندی بین میدان های مغناطیسی به وجود نمی آید و این به معنی از بین رفتن گشتاور و متوقف شدن موتور است، به همین دلیل است که در موتورهای القایی همواره سرعت روتور کمی کمتر از سرعت فرکانس تغذیه اعمالی است و به آن ها موتورهای آسنکرون نیز اطلاق می شود. این اختلاف سرعت را لغزش می نامند. وقتی یک موتور القایی زیر بار برود، لغزش کمی افزایش می یابد و جریان بیشتری کشیده می شود.

بنابراین سرعت چرخش موتورهای القایی به فرکانس تغذیه آن‌ها بستگی دارد. یعنی اگر فرکانس ۵۰Hz به یک موتور القایی اعمال شود، با سرعت نامی خود شروع به چرخش خواهد کرد. اگر فرکانس ۲۵Hz اعمال شود با نصف سرعت نامی خود کار خواهد کرد. در نتیجه اگر تجهیزی داشته باشیم که بتواند موج سینوسی با فرکانس دلخواه را در اختیار موتور قرار دهد، خواهیم توانست سرعت موتور را کنترل کنیم؛ این دقیقا کاری است که اینورتر انجام می‌دهد.

وظیفه اینورتر دریافت ولتاژ سینوسی شبکه با فرکانس ۵۰Hz و تبدیل آن به موج سینوسی با فرکانس دلخواه در خروجی است. اما اینورتر چگونه این تبدیل فرکانس را امکان پذیر می‌کند؟ این فرآیند نیازمند سه ماژول اصلی است: پل یکسو ساز در ورودی، لینک DC در قسمت میانی و ماژول اینورتر IGBT در خروجی.

 

اینورتر,vfd,لیان الکتریک ویرا

طرز کار اینورتر


مراحل کار اینورتر بر اساس شکل موج توان و تبدیل‌های صورت گرفته روی تصویر شماره‌ گذاری شده است. حال بیایید ببینیم در هر مرحله چه اتفاقی رخ می‌دهد.

  1. در مرحله اول شکل موج ولتاژ ورودی را مشاهده می‌کنید. با فرض شبکه فشار ضعیف رایج در ایران، یک موج سینوسی ۴۰۰vAC و ۵۰Hz به عنوان تغذیه به ورودی اینورتر متصل می‌شود. در سر راه ورودی و قبل از رسیدن به پل دیودی المان‌های مختلفی می‌توانند قرار داشته باشند. برخی سازندگان درایو وریستورهای (varistor) کوچکی در این مسیر قرار می‌دهند تا درایو در برابر اضافه‌ولتاژهای جزئی بتواند تا حدودی از خود محافظت کند. به هرحال این موج سینوسی پس از عبور از المان‌های فرعی، به اولین ماژول اصلی یعنی پل دیودی می‌رسد.
  2. پل دیودی وظیفه یکسوسازی را بر عهده دارد. یکسوساز (Rectifier) یا کانورتر (Converter) سایر نام‌هایی است که به این ماژول اطلاق می‌شود. یکسوسازی به معنی تبدیل موج متناوب AC به موج مستقیم DC است. یکسوسازی اصطلاحا به واسطه “بُرِش زدن” موج ورودی توسط دیودها امکان‌پذیر می‌شود، در نتیجه همانطور که در شکل موج شماره ۲ مشاهده می‌کنید، موج DC بدست آمده در خروجی پل دیودی دارای اعوجاج و غیریکنواخت است یا اصطلاحا ریپل دارد. این در حالیست که که IGBT ها به عنوان ماژول خارجی اینورتر، نیازمند یک موج DC صاف و یکنواخت هستند تا بتوانند به صورت مناسب عمل کنند.
  3. خازن‌ها المان‌های دوست‌داشتنی دنیای برق هستند. این تجهیزات علاوه بر مصارف فراوان دیگر مثل اصلاح ضریب توان و جبران‌سازی ولتاژ محلی، قابلیت صاف کردن و رفع ریپل موج‌ها را نیز دارند. موج تولید شده توسط پل دیودی در مرحله ۲ به روی خازن‌ها در لینک DC منتقل می‌شود و خازن‌ها وظیفه صاف کردن موج را بسیار خوب انجام می‌دهند تا همانطور که در شکل ۳ می‌بینید، یک موج DC تقریبا صاف و یکنواخت داشته باشیم.
  4. IGBTها ماژول اصلی درایو هستند که به آن‌ها اینورتر (Inverter) نیز اطلاق می‌شود. اینورتر یعنی تبدیل کننده موج DC به موج AC با فرکانس مورد نظر. بنابراین احتمالا متوجه شده‌اید چرا اینقدر زحمت کشیدیم تا موج AC ورودی به درایو را به یک موج DC تبدیل کنیم و سپس در اختیار IGBT قرار دهیم! IGBTها پس از دریافت شکل موج DC مرحله ۳، با کلیدزنی و تولید پالس‌های مربعی، موج سینوسی AC خروجی با فرکانس دلخواه را برای ما می‌سازند. به این روش در تئوری اصطلاحا مدولاسیون پهنای باند (PWM) می‌گویند. IGBTها از پیشرفته‌ترین تجهیزات الکترونیک قدرت می‌باشند و هرچه سرعت کلیدزنی‌شان بالاتر باشد، می‌توانند موج AC مطلوب تری را برای ما بسازند. شکل موج شماره ۴ همان موج تولیدی نهایی اینورتر است که فرکانسش متغیر بوده و به موتور اعمال می‌شود.

 

اینورتر، درایو، VFD، VSD، کنترل دور و… همگی نام هایی رایج برای پیچیده ترین و پیشرفته ترین تجهیز مرتبط با کنترل ماشین های الکتریکی هستند. اینورتر یک تجهیز الکترونیک قدرت است که به واسطه آن می توان سرعت موتورهای الکتریکی AC را کنترل کرد.کار اینورتر دریافت ولتاژ سینوسی شبکه با فرکانس ۵۰Hz و تبدیل آن به موج سینوسی با فرکانس دلخواه در خروجی است. اما اینورتر چگونه این تبدیل فرکانس را امکان پذیر می‌کند؟ این فرآیند نیازمند سه ماژول اصلی است: پل یکسو ساز در ورودی، لینک DC در قسمت میانی و ماژول اینورتر IGBT در خروجی.

 

تفاوت های راه انداز نرم و اینورتر:

شناخت کامل تفاوت ها و قابلیت های اینورتر و راه انداز نرم می تواند استفاده از این تجهیزات را برای کاربری­های مختلف مناسب نماید. برخی از ویژگی های کاربردی اینورتر (درایو) و راه انداز نرم بدین شرح است:

  • عمدترین تفاوت داریو کنترل سرعت و سافت استارتر، توانایی تنظیم سرعت با توجه به نیاز کاربر در داریوها است. پس با توجه به این موضوع می­توان فهمید در کل دوره بهره­برداری از موتور درایو در مدار باقی می­مانند اما راه ­اندازهای نرم پس از به پایان رسیدن مرحله راه­ اندازی از مدار خارج می­شوند و تا راه ­اندازی بعدی از مدار خارج هستند.
  • درایو دارای سایز فیزیکی بزرگ تری نسبت به راه انداز نرم می باشد و در نتیجه به فضای بیشتری نیاز دارد. هم چنین، سنگین تر بودن آن نسبت به راه انداز نرم آن را برای کاربردهایی که وزن دستگاه مهم می باشد چندان مناسب نیست.
  • از آنجایی که درایو فرکانس را تغییر می دهد و در حقیقت در خروجی آن یک شکل موج شبه سینوسی (SPWM یا مربعی) ایجاد می­گردد، ولتاژی هارمونیکی به موتور اعمال می­نماید. از بین بردن این هارمونیک­های ولتاژ نیاز به فیلترهای سینوسی (Sine Filter) دارند که فیلترهای پر هزینه­ای هستند. شکل زیر یک فیلتر سینوسی را نشان می­دهد.

تفاوت اینورتر و راه انداز نرم لیان الکتریک ویرا

فیلتر سینوسی

 

اگر کاربر از فیلترهای سینوسی استفاده نکند، استفاده از درایو در شرایطی باعث گرم شدن موتور می­گردد. توجه به این نکته ضروری است که هارمونیک­های خروجی درایوها ممکن است مشکلاتی برای تجهیزات اندازه­ گیری موتور نیز ایجاد نماید.

  • از آنجایی که در ورودی درایوها یکسوکننده ­های دیودی تعبیه شده است؛ وجود این یکسوکننده­ ها سبب ایجاد هارمونیک در شبکه و تاثیر منفی در عملکرد سایر تجهیزات می شود. برای رفع این مشکل لاین فیلتر در ورودی درایوها استفاده می­شود و تا حدی می­تواند این مشکل را مرتفع کند، اما به طور معمول این مشکل به طور کامل رفع نمی­گردد مگر آنکه از لاین فیلترهای گران­قیمت تر استفاده شود. این موضوع در صنایع پزشکی بسیار حیاتی است. شکل زیر یک لاین فیلتر را نشان می­دهد.

 

اینورتر (درایو) لیان الکتریک ویرا

 

یکی دیگر از راه ­حل­ هایی که این مشکل را به طور کامل می­تواند حل کند استفاده از یکسوکننده ­های فعال (Active Rectifier) در ورودی درایوها است.

  • با توجه به اینکه توان ورودی درایو برابر با توان خروجی به علاوه تلفات می باشد، برای بارهایی که نیاز به گشتاوری بالاتر از گشتاور فراهم شده به وسیله راه انداز نرم (با توجه به محدودیت های اعمال شده به وسیله سیستم توزیع) دارند، یک اینورتر می تواند راه حل مطلوب باشد. در نتیجه اگر در هنگام انتخاب درایو یا راه انداز نرم گشتاور راه اندازی مسئله اصلی باشد، با توجه به اینکه نسبت گشتاور به جریان در اینورتر بسیار بیشتر از راه اندازهای نرم می باشد، این مبدل می تواند بهترین گزینه تلقی شود. هر چند در مورد کاربردهای پمپ در صنعت آب و فاضلاب، این مسئله چندان مهم نیست. در درایو امکان دستیابی به گشتاور کامل در سرعت صفر امکان پذیر است اما در راه ­انداز نرم گشتاور راه ­اندازی مقدار مشخص دارد که توسط کاربر مشخص می­شود و هیچگاه ۱۰۰% نیست.
  • یک درایو می تواند برای اندازه گیری دما، فشار یا جریان فرآیند استفاده شود، بدون اینکه نیاز به سیستم­های اضافه در کنار خود داشته باشد. زیرا در درایوها به منظور انجام کنترل سنسورهای جریان و ولتاژ تعبیه شده است. در ضمن کاربر می­تواند سنسورهای دیگری مانند فشار به درایوها متصل نماید. در درایوها چند ورودی آنالوگ تعبیه شده است که در راه ­اندازهای نرم این ورودی­ها وجود ندارند.
  • استفاده از درایو منجر به کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن می­شود و تاثیرات زیست محیطی مثبتی دارند.

استفاده از درایو باعث تحمیل هزینه­ های زیادی به سیستم می­شود به دلیل آنکه تجهیزات استفاده شده در آن گران قیمت هستند. به عنوان نمونه قیمت یک ماژول تریستور (دارای ۲ تریستور) ۱۰۰ آمپر در ایران در حدود ۲۰۰ هزار تومان است اما یک ماژول IGBT با همین سطح جریان در حدود ۵۰۰ هزار تومان است. این موضوع برای المان­ های دیگر نیز صادق است و هزینه درایو را به شدت افزایش می­دهد. دو شکل زیر ماژول IGBT و تریستور ۱۰۰ آمپری را نشان می­دهند.

 

انتخاب اینورتر لیان الکتریک ویرا

ماژول IGBT             

 

 

هزینه راه اندازی اینورتر لیان الکتریک ویرا

ماژول تریستور

 

  • هزینه نگهداری سافت استارتر پایین است چون به غیر از منافذ فن که باید تمیز نگه داشته شوند، به نگهداری دیگری نیاز ندارد. اما در مقابل اینورتر به دلیل داشتن بخش های مختلف مانند دیود، خازن، ادوات نیمه­ هادی و … دارای هزینه نگهداری سالیانه بالایی است.

 

کاربرد اینورتر

با توجه به موارد گفته شده می­توان کاربردهای اینورتر (داریو کنترل سرعت) را در موارد زیر در نظر گرفت:

  • استفاده از برق تک فاز در بسیاری از کاربردهای صنعتی در ورودی اینورتر و راه اندازی موتورهای سه فاز
  • کنترل سرعت و قابلیت های سیستم، داشتن حداکثر توان در سرعت های پایین Vector control در زمان عملکرد و به صورت دائم
  • کاربری­ هایی با گشتاور راه­ اندازی بالا
  • فیدبک مداوم برای کنترل های خاص و دقیق مثل PID Control و Position control
  • راه­ اندازی و توقف­ های پی­درپی و مداوم.
  • تغییر جهت چرخش موتور به صورت پی­درپی و مداوم.
  • بازه بسیار بالا و مطمئن و دقیق شیب راه ­اندازی و شیب توقف در بعضی ازمدل ها تا ۵۰۰۰ ثانیه.
  • بالا بردن سرعت موتور بیشتر از سرعت نامی (البته با در نظر گرفتن محدودیت­های موتور)
  • نصب و همسان سازی با موتورها از نظر ولتاژ و فرکانس کاری.
  • دقت بسیار بالا در ولتاژ و فرکانس خروجی حتی در مواقع تغییر ولتاژ در ورودی.

در کنار این موارد توجه به یک نکته ضروری است که با متصل کردن درایو به یک موتور سرعت ثابت، یا یک موتور که برای عملکرد پیوسته در حداکثر سرعت تنظیم شده است، صرفه جویی انرژی بدست نخواهد آمد و در کل می تواند منجر به مصرف انرژی بالاتری شود. چرا که در بهره برداری در سرعت نامی، موتور به صورت مستقیم می­تواند به شبکه متصل باشد و توان خود را مستقیم از شبکه دریافت نماید، اما با وجود داریو (که بازده آن کمتر از ۱۰۰ درصد است)، انرژی بیشتری از شبکه دریافت خواهد شد.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *