اینورتر چیست؟ انواع اینورتر ها و بررسی کامل Inverters

سلام. انواع اینورتر ها و بررسی کامل معکوس کننده ها Inverters را آماده کردیم.

منبع تغذیه ی جریان متناوب (AC) تقریبا برای کلیه نیاز های مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می شود. اما بزرگترین مسئله در مورد جریان متناوب این است که نمی توان آن را برای استفاده در آینده ذخیره کرد. بنابراین جریان متناوب به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شود و پس از آن جریان مستقیم در باتری ها و ابرخازن ها ذخیره می شود. و اکنون هرزمان که جریان متناوب لازم باشد، جریان مستقیم مجددا برای به کار انداختن لوازم برقی(لوازم مبتنی بر AC) به جریان متناوب تبدیل می شود. بنابراین وسیله ای که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کند، اینورتر نامیده می‌شود. اینورتر برای تبدیل DC به متغیر AC استفاده می‌شود. این تغییر می تواند در بزرگی ولتاژ، تعداد فاز ها، فرکانس یا اختلاف فاز باشد.

طبقه بندی اینورتر ها

اینورتر بر اساس خروجی ، منبع ، نوع بار و غیره در انواع مختلفی طبقه بندی می شود ، در زیر طبقه بندی کامل مدارهای معکوس کننده قرار دارد:

(I) انواع اینورتر ها با توجه به ویژگی خروجی

1. اینورتر موج مربعی
2. اینورتر موج سینوسی
3. اینورتر موج مصنوعی اصلاح شده

 (II) انواع اینورترها با توجه به منبع

1. اینورتر منبع جریان
2.  اینورتر منبع ولتاژ

(III) انواع اینورتر ها با توجه به نوع بار

اینورتر تک فاز

• اینورتر نیم پل (Half bridge)
• اینورتر تمام پل (Full bridge)

اینورتر سه فاز

• حالت 180 درجه
• حالت 120 درجه

(IV) انواع اینورترها براساس تکنیک PWM

1. 1. مدولاسیون پهنای پالس منفرد (SPWM)
2. 2. مدولاسیون پهناسی پالس چندگانه (MPWM)
3. 3. مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM)
4. 4. مدولاسیون پهنای پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)

پیشنهاد میکنم  مقاله SPWM چیست؟ ساخت اینورتر موج سینوسی خالص را نیز ببینید.

(V) انواع اینورتر ها با توجه به تعداد سطح خروجی

1. اینورتر معمولی دوسطحی
2. اینورتر چندسطحی

اکنون درباره همه ی آن ها توضیح خواهیم داد. شما می توانید نمونه مدار اینورتر 12 ولت DC تا 220 ولت را در اینجا بررسی کنید.

با توجه به ویژگی خروجی اینورتر (I)

با توجه به ویژگی خروجی یک اینورتر، 3 نوع متفاوت از اینورتر می تواند وجود داشته باشد.

• اینورتر موج مربعی
• اینورتر موج سینوسی
• اینورتر موج سینوسی اصلاح شده

1. اینورتر موج مربعی

شکل موج خروجی ولتاژ برای این اینورتر ، موج مربعی است. این نوع از اینورتر ، حداقل در بین سایر انواع اینورتر استفاده می شود ، زیرا تمام تجهیزات برای تهیه ی موج سینوسی طراحی شده اند. اگر ما موج مربعی را به  دستگاه مبتنی بر موج سینوسی عرضه کنیم ، ممکن است آسیب بیند یا خسارات زیادی را داشته باشد. قیمت این اینورتر بسیار کم است اما برنامه بسیار کم یاب است. این ممکن است در ابزارهای ساده با یک موتور جامع (یونیورسال) استفاده شود.

2. موج سینوسی

شکل موج خروجی ولتاژ یک موج سینوسی است و به ما یک خروجی مشابه با عرضه ی خدمات می دهد. این یک مزیت مهم  این اینورتر است زیرا تمام تجهیزاتی که ما از آنها استفاده می کنیم ، برای موج سینوسی طراحی شده اند. بنابراین این خروجی عالی است و تضمین می کند که تجهیزات به درستی کار می کنند. این نوع از اینورتر گرانتر است اما به طور گسترده در برنامه های مسکونی و تجاری استفاده می شود.

3. موج سینوسی اصلاح شده

ساختار این نوع از اینورتر پیچیده تر از اینورتر موج سینوسی ساده است اما در مقایسه با اینورتر موج سینوسی خالص ، آسان تر است. خروجی این اینورتر نه موج سینوسی خالص است نه موج مربعی. خروجی این چنین اینورترهایی ، برخی از دو موج مربعی است. شکل موج خروجی دقیقا موج سینوسی نیست اما شبیه به شکل موج سینوسی است.

بر اساس منبع اینورتر (II)

• منبع ولتاژ اینورتر
• منبع جریان اینورتر

منبع جریان اینورتر

در CSI (منبع جریان اینورتر) ورودی یک منبع جریان است. از این نوع اینورتر ها در کاربر های صنعتی با ولتاژ متوسط استفاده می شود، جایی که شکل موج هایِ جریان با کیفیت بالا الزامی است. اما CSIS معروف نیست.

منبع ولتاژ اینورتر

در VSI (منبع ولتاژ اینورتر)، ورودی یک منبع ولتاژ است. از این نوع معکوس کننده در کلیه کاربر ها استفاده می شود زیرا کارآمد تر است و دارای قابلیت اعتماد بالاتر و پاسخ پويای سریع

تر است. VSI قادر است موتور ها را بدون کاهش حد مجاز به کار اندازد.

با توجه به نوع بار معکوس کننده (III)

• اینورتر تک فاز
• اینورتر سه فاز

اینورتر تک فاز

به طور کلی ، بار تجاری و مسکونی از توان تک فاز استفاده می کند. اینورتر تک فاز برای این نوع کاربرد استفاده می شود. معکوس کننده تک فاز بیشتر به دو بخش تقسیم می شوند:

• اینورتر تک فاز نیم پل
• اینورتر تک فاز تمام پل

اینورتر تک فاز نیم پل

این نوع از اینورتر از دو تریستور و دو دیود تشکیل شده است و اتصال همانطور که در شکل زیر نشان داده شده ، است :

در این نمونه ، Vs ولتاژ کل DC است و به دو بخش مساوی Vs/2 تقسیم شده است. زمان برای یک چرخه T ثانیه است.

برای نیم چرخه T/2 > t > 0 ، تریستور T1 هدایت می کند. بار ولتاژ Vs/2 است به دلیل منبع ولتاژ Vs/2 فوقانی.

برای دومین نیم چرخه ی T > t > T/2 ، تریستور T1 رفت و آمد شده است و T2 هدایت می کند. در این مدت ، بار ولتاژ Vs/2- است به دلیل منبع Vs/2 پایین.

Vo = Vs/2

با این عمل ، می توانیم موج ولتاژ متناوب را با فرکانس T1 هرتز و دامنه ی اوج Vs/2 به دست آوریم. شکل موج خروجی ، موج مربعی است. آن ممکن است از طریق فیلتر عبور داده شود و هارمونیک های ناخواسته را که شکل موج سینوسی به ما میدهد ، حذف کند. فرکانس شکل موج می تواند توسط زمان ON (Ton) و زمان OFF (Toff) تریستور کنترل شود.

بزرگی ولتاژ خروجی ، نصف ولتاژ منبع ذخیره است و دوره ی بهره بری از منبع 50% است. این یک عیب اینورتر نیم پل است و  راه حل آن اینورتر تمام پل است.

اینورتر تک فاز تمام پل

در این نوع از اینورتر ، 4 تریستور و 4 دیود استفاده می شود. نمودار مدار تک فاز تمام پل در زیر نشان داده شده است :

در هر زمان دو تریستور T1 و T2 برای نیمه اول چرخه 0 < t < T/2 هدایت می شوند. در این دوره ، ولتاژ بار برابر Vs  است که مشابه ولتاژ منبع تغذیه DC است.

برای نیمه دوم چرخه  T / 2 < t <T ، دو تریستور T3 و T4 هدایت می شوند. ولتاژ بار در این دوره –Vs است.

در اینجا می توانیم ولتاژ خروجی AC را همانند ولتاژ منبع تغذیه دریافت کنیم و ضریب بهره وری از منبع 100٪ است. شکل موج ولتاژ خروجی ، شکل موج مربعی است و از فیلترها برای تبدیل آن به موج سینوسی استفاده می شود.

اگر همه تریستورها به طور هم زمان یا با یک جفت (T1 و T3) یا (T2 و T4) هدایت شوند ، این منبع کوتاه خواهد بود. دیودها به عنوان دیود بازخورد در مدار وصل می شوند زیرا برای بازخورد انرژی به منبع DC استفاده می شود.

اگر اینورتر تمام پل را با معکوس کننده نیم پل مقایسه کنیم ، برای بار ولتاژ منبع تغذیه DC ، ولتاژ خروجی دو برابر و انرژی خروجی چهار برابر در اینورتر پلِ کامل است.

اینورتر سه فاز پل

در مورد بار صنعتی ، از منبع تغذیه سه فاز استفاده می شود و برای این کار ، باید از اینورتر سه فاز استفاده کنیم. در این نوع معکوس کننده ، شش تریستور و شش دیود استفاده شده و مطابق شکل زیر به آنها وصل می شوند.

این می تواند با توجه به میزان پالس های گیت در دو حالت کار کند.

• حالت 180 درجه
• حالت 120 درجه

جهت مشاهده توضیحات کامل، مقاله اینورتر سه فاز را بخوانید.

حالت 180 درجه

در این روش کار ، زمان هدایت برای تریستور 180 درجه است.  در هر زمانی از دوره ، سه تریستور (یک تریستور از هر مرحله) هدایت می شوند.  شکل ولتاژ فاز ، سه شکل موج پله ای است و شکل ولتاژ خط ، یک موج پله ای مربع است که در شکل نشان داده شده است.

Vab = Va0 – Vb0
Vbc = Vb0 – Vc0
Vca = Vc0 – Va0

در این عملیات ، فاصله زمانی بین ارتباط تریستور در حال خروج و تریستور ورودی صفر است.  بنابراین انجام همزمان تریستور ورودی و خروجی امکان پذیر است و منجر به اتصال کوتاه منبع می شود.  برای جلوگیری از این مشکل از حالت 120 درجه استفاده شده است.

حالت 120 درجه

در این عملیات ، در یک زمان فقط دو تریستور هدایت می کنند.  یکی از فاز های تریستور نه به پایانه مثبت متصل است و نه به پایانه منفی وصل می شود. هر تریستور 120 درجه هدایت  می کند.  شکل ولتاژ خط، سه شکل موج پله و شکل ولتاژ فاز، شکل موج شبه مربعی است.

شکل موج ولتاژ خط ، ولتاژ فاز و پالس گیت تریستور، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است.

در هر سوئیچ الکترونیکی قدرت ، دو نوع ضرر وجود دارد.  از دست دادن هدایت و از دست دادن سوئیچینگ.  از دست دادن هدایت به معنای از دست رفتن حالت روشن در سوئیچ و از بین رفتن سوئیچینگ به معنای از بین رفتن حالت خاموش در سوئیچ است.  به طور کلی ، خسارت هدایت ، از بیشترین افت عملکرد سوئیچینگ است.

اگر برای یک کار 60 درجه ای حالت 180 درجه را در نظر بگیریم ، سه سوئیچ باز است و سه سوئیچ نیز بسته است. یعنی از دست دادن خسارت کامل کل، برابر است با سه برابر از دست دادن هدایت به علاوه سه برابر از دست دادن سوئیچینگ.

از دست دادن در 180 درجه = 3 * (هدایت از دست داده) + 3 * (سوئیچ از دست داده)

Total loss in 180-degree = 3 (conductance loss) + 3 (switching loss)

اگر برای یک کار 60 درجه ای حالت 120 درجه را در نظر بگیریم ، دو سوئیچ باز است و بقیه چهار سوئیچ بسته هستند.  یعنی از دست دادن خسارت کل برابر است با دو برابر از دست دادن رسانایی به علاوه چهار بار از دست دادن سوئیچینگ.

از دست دادن در 120درجه = 2 * (هدایت از دست داده) + 4 * (سوئیچ از دست داده)

Total loss in 120-degree = 2 (conductance loss) + 4 (switching loss)

طبقه بندی طبق تکنیک کنترل اینورتر (IV)

• مدولاسیون عرض پالس (PWM تک)
• مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM)
• مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM)
• مدولاسیون عرض پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)

خروجی اینورتر،  سیگنال موج مربعی است و از این سیگنال برای بار استفاده نمی شود. تکنیک مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل ولتاژ خروجی AC استفاده می شود. این کنترل با کنترل کردن دوره روشن و خاموش سوئیچ ها بدست می آید. در روش PWM از دو سیگنال استفاده شده است. یکی سیگنال مرجع و دوم سیگنال حامل مثلثی است. پالس گیت سوئیچ ها با مقایسه این دو سیگنال تولید می شود. انواع مختلفی از تکنیک های PWM وجود دارد.

اگر نمیدانید PWM چیست، مقاله آموزش PWM را بخوانید.

مدولاسیون عرض تک پالس (PWM تک)

برای هر نیم چرخه ، یک پالس در این روش کنترل موجود است. سیگنال مرجع سیگنال موج مربعی است و سیگنال حامل سیگنال موج مثلثی است. پالس گیت سوئیچ ها با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می شوند. فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می شود. دامنه سیگنال مرجع Ar و دامنه سیگنال حامل Ac است ، پس می توان شاخص مدولاسیون را Ar / Ac تعریف کرد. اشکال اصلی این روش ، محتوای هارمونیک بالا است.

مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM)

اشکال در تکنیک مدولاسیون عرض تک پالس تک توسط PWM متعدد حل شده است. در این تکنیک به جای یک پالس ، در هر نیم چرخه ولتاژ خروجی از چندین پالس استفاده می شود. این دروازه با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می شود. فرکانس خروجی با کنترل فرکانس سیگنال حامل کنترل می شود. از شاخص مدولاسیون برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می شود.

تعداد پالس در نیم چرخه

fc/ (2*f0)

که در اینجا :

Fc = فرکانس سیگنال حامل

f0 = فرکانس سیگنال خروجی

مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM)

این روش کنترل به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می شود. در هر دو روش بالا ، سیگنال مرجع یک سیگنال موج مربعی است. اما در این روش ، سیگنال مرجع یک سیگنال موج سینوسی است. پالس دروازه سوئیچ ها با مقایسه سیگنال مرجع موج سینوسی با موج حامل مثلثی ایجاد می شود. عرض هر پالس با تغییر دامنه موج سینوسی تغییر می کند. شکل فرکانس موج خروجی همانند فرکانس سیگنال مرجع است. ولتاژ خروجی یک موج سینوسی است و ولتاژ RMS را می توان با شاخص تعدیل کنترل کرد. شکل موج مانند شکل زیر است.

مدولاسیون پهنای پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)

با توجه به ویژگی موج سینوسی ،پالس موج با تغییر در شاخص مدولاسیون در تکنیک SPWM قابل تغییر نیست. به همین دلیل است که تکنیک MSPWN معرفی شده است. در این تکنیک ، سیگنال حامل در فاصله 60 درجه اول و آخر هر نیم چرخه اعمال می شود. به این ترتیب ، ویژگی هارمونیک آن بهبود می یابد. مهمترین مزیت این روش افزایش مؤلفه اساسی ، کاهش تعداد دستگاههای سوئیچینگ و کاهش تلفات سوئیچینگ است. شکل موج در شکل زیر نشان داده شده است.

بر اساس تعداد سطوح در خروجی اینورتر (V)

• اینورتر دو سطحی منظم
• اینورتر چند سطحی

اینورتر دوسطحی منظم

این اینورتر ها فقط دارای سطوح ولتاژ در خروجی هستند که ولتاژ اوج مثبت و ولتاژ اوج منفی است. گاهی اوقات، داشتن سطح ولتاژ صفر نیز به عنوان یک معکوس کننده دو سطحی شناخته می شود.

اینورتر های چند سطحی

این اینورتر ها می توانند چندین سطح ولتاژ در خروجی داشته باشند. معکوس کننده چند سطحی به چهار قسمت تقسیم می‌شود.

1. اینورتر خازن شناور
2. اینورتر Diode-clamped
3. اینورتر Hybrid
4. اینورتر آبشاری نوع  H

هر اینورتر طراحی خاص خود را برای بهره‌برداری ( کار) دارد، در اينجا ما به طور خلاصه این اینورتر ها را توضيح داده ایم تا یک آگاهی اولیه در مورد آنها به دست آوردید.