اینورتر 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.

 اینورترها قطعات متحرک ندارند و در طیف گسترده ای از ابزارهای کاربردی استفاده می شوند، از منبع تغذیه کامپیوتر گرفته تا ابزار بزرگ حمل و نقل فله. اینورترها معمولا برای تامین جریان AC از منابع DC مانند پانل های خورشیدی یا باتری مورد استفاده قرار می گیرند.

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.

کنترلر موتور میتواند به صورت دستی یا اتوماتیک یک موتور را راه اندازی یا متوقف کند ، رو به جلو یا عقب (راست گرد چپ گرد ) حرکت دهد. و یا با سرعت و گشتاور تنظیم شده ای به حرکت در آورده و در مقابل اضافه بار و فالتها محافظت کند. دامنه استفاده از کنترلر موتور بسته به کاربردهای مختلف از مصارف معمول نظیر کامپیوتر ، ماشین فاکس ، سیستمهای گرمایش و سرمایش تا مصارف صنعتی پیچیده مانند خطوط تولید روباتیک میتواند باشد .

درایو ها در کاربردهای مختلف مانند سیستمهای سروو یا کنترل کننده دور موتور با فیدبک در الکتروموتورهای AC و DC استفاده میگردد. درایوها دور موتور میتوانند دور موتور را به صورت پیوسته از صفر تا چندین برابر دور نامی تغییر دهند. تنظیم دور در الکتروموتورها علاوه بر کاربردهای فراوان در پروسه های صنعتی ، منجر به صرفه جوئی مصرف انرژی هم میگردد. علاوه بر آن درایوها در راه اندازی موتور جریان شروع کار و استارت موتور از شبکه را به میزان زیادی کاهش میدهند. بطوریکه این جریان خیلی کمتر از جریان اسمی موتور است.

درایوها میتوانند موتور را بطور نرم و کاملا کنترل شده استارت و استپ نمایند. زمان استارت و استپ را میتوان بدقت تنظیم نمود به صورتی که این زمان کسری از ثانیه و یا صدها دقیقه باشد. 

امروزه کاربردهای بسیاری برای استفاده از درایو در صنعت اتوماسیون میتوان نام برد از ماشینهای CNC ، موتورهای آسانسور ، نوار نقاله گرفته کنترل یک ولو 

توانائی درایو در استارت و استپ نرم و کنترل دور موتور موجب کاهش قابل ملاحظه تنشهای مکانیکی در کوپلینگها در تمامی ادوات دوار متصل به هم میگردد.

در زیر به دو نمونه از پر مصرف ترین انواع کنترلرهای موتور اشاره می گردد :

کنترل دور موتورهای AC یا AC Variable frequency drives

کنترل دور موتورهای DC یا DC motor speed or torque controls

 

درایو های AC  دور متغیر (کنترل دور موتورهای AC)

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 1899 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

 

 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.

 

کاربردهای اینورتر

بحثی كه همیشه در الكترونیك صنعتی مطرح بوده و هست تبدیل یك ولتاژ dc به یك ولتاژ ac است. به سیستمی كه این تبدیل را برای ما انجام می دهد اینورتر گفته می‌شود. اینورترها دارای رنج وسیعی از كاربردهای مختلف هستند كه تعدادی از انها را ذكر می كنیم: 

1- یك خط ولتاژ AC: خیلی از مواقع دسترسی به یك منبع dc مثل باتری وجود دارد. ولی یك خط ولتاژ AC مورد نیاز است مثل اتومبیل 

2- منابع تغذیه بدون وقفه (UPS): در انواع مختلف UPS ها جهت تبدیل توان باتری ها به یك توان AC به اینورترها نیاز داریم. 

3- كوره های القایی: اینورترها جهت تبدیل یك توان AC با فركانس پائین به یك توان AC با فركانس بالا مورد استفاده قرار می گیرند. این ولتاژ فركانس بالا در كوره های القایی مورد استفاده دارد. به این ترتیب كه ابتدا توان AC را به DC یكسو كرده و سپس توسط اینورتر به توان AC فركانس بالا تبدیل می‌كنند.

4- در سیستم انتقال توان HVDC: در این سیستم انتقال توان الكتریكی ، ابتدا توان AC به DC تبدیل می‌شود. این توان DC با ولتاژ بسیار بالا به وسیله خطوط انتقال به مقصد می رسد. در محل گیرنده، این توان DC دوباره به مقدار AC تبدیل می‌شود.

5- درایورهای فركانس متغیر: یك درایو فركانس متغیر، سرعت عملكرد یك موتور AC را به كمك كنترل كردن ولتاژو فركانس به صورت همزمان تنظیم می‌كند.

6- استفاده در پنلهای خورشیدی: پنلهای خورشیدی دارای خروجی DC هستند كه با استفاده از اینورترها این توان تبدیل به AC می‌شود.

 

انواع اینورترها از نظر فاز و شكل موج خروجی:

اینورترها از نظر فاز تبدیل به دو نوع عمده تك فاز و سه فاز تقسیم بندی می‌شوند همچنین از نظرشكل موج خروجیشان به چهار نوع زیر تقسیم می‌شوند.

1- خروجی به شكل موج مربعی

2- خروجی به شكل سینوسی اصلاح شده (معمولی)

3- خروجی به شكل سینوسی اصلاح شده (پله ای)

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

 

مقدمه ای بر طراحی اینورترها:

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

Vin*Iin=Vout*Iout 

پس اگر یك ولتاژ خروجی  220 ولت با توان 400 وات نیاز داشته باشیم باید بدانیم كه در ورودی یك ولتاژ مثلاً 12 ولت با جریان 34 آمپر نیاز داریم. باید توجه داشت كه اگر ولتاژ ورودی dc با باتری تامین می‌شود باتری تا چه مدت كارایی خواهد داشت. مورد دوم بازدهی یك اینورتر است كه عبارت است از نسبت توان خروجی به توان ورودی بر حسب درصد كه در اینورترهای با طراحی خوب نزدیك 90% است. بازده بیشتر به مواردی چون تعداد المانهای سوئیچ كننده ، نوع المانهای سوئیچ كننده، روش سوئیچ كردن (مثلاً pwm یا spwm) مرغوبیت ترانسها و سیم پیچهای به كار رفتند و نوع فیلترهای مورد استفاده در اینورتر  بستگی دارد. 

مورد دیگر شكل موج خروجی یك اینورتر است. همانطور كه می دانیم یك شكل موج مربعی پریودیك دارای یك سری هارمونی است. مانند شكل زیر هارمونیكهای فرعی (دارای رتبه) دارای دامنه كمتر و فركانس بیشتری هستند و یكی از هارمونیكها كه به نام اصلی یا پایه خوانده می‌شود دارای فركانسی برابر فركانس شكل موج مربعی است. 

جهت آنالیز فوریه این شكل موج مقداری به نام THD تعریف می‌شود كه برابر است با: 

مسلم است كه هر چه مقدار THD كمتر باشد كیفیت شكل موج خروجی اینورتر بیشتر است. جهت بهبود كیفیت شكل موج خروجی اینورتر می‌توان از فیلترها استفاده كرد و در واقع هارمونیك اصلی را از میان دیگر هارمونیكها جدا نمود. 

ساده ترین مداری كه می‌توان برای یك اینورتر فرض كرد شكل زیر است. با تغییر وضعیت سوئیچ پالسهایی در اولیه ایجاد می‌شود كه پس از تقویت در ثانویه ترانس نمایان می‌شوند. می‌توان به جای سوئیچ از دو ترانزیستور یا IGBT استفاده كرد و به وسیله یك مدار پالس دهنده (مثل مدار بی استابل 555) آنها را به ترتیب پالس دهی كرد. 

به این دلیل اینكه در این روش دامنه هارمونیكهای فرعی نزدیك به دامنه هارمونیك اصلی است مقدار THD افزایش یافته و كیفیت شكل موج خروجی كاهش می یابد. 

 کارایی اینورتر

اینورتر یک وسیله بسیار کار آمد ومفید برای کنترل موتورهای متناوب می باشد.

قبل ازاینکه اینورترها بصورت گسترده وارد بازار شوند ، سازندگان ماشین آلات مشکلات خیلی زیادی برای کنترل سرعت موتورها داشتند که اینکار با گیربکسهای دور متغیر انجام می شد که آن هم از نظر مقدار تغییرسرعت و هم از نظر حجم خود گیربکس محدودیت زیادی برای سازندگان به همراه داشت.

با نصب یک اینورتر برای یک موتور متناوب ، تمام پارامترهای موتور (جریان ، گشتاور ، ولتاژ و فرکانس) قابل کنترل می باشد.

همچنین حفاظت موتور بصورت عالی توسط اینورتر انجام می شود.

کار عمومی و اصلی اینورتر تغییر سرعت چرخش موتور می باشد که این کار را با استفاده از روشهای پیشرفته ساخت موج سینوسی (مدولاسیون پهنای باند) انجام می دهد.

در کنار کار اصلی ، اینورتر امکانات دیگری را در اختیار ما قرار می دهد از جمله :

1-تغییر شیب برای روشن شدن و خاموش شدن موتور که باعث حفاظت موتور می شود.

 2- امکان روشن ، خاموش کردن و تغییر سرعت از روی کیپد یا ترمینال یا از راه دور با فرمان سریال.

3- امکان برنامه ریزی اینورتر بدن نیاز به کنترلر خارجی.

4 –امکان کنترل گشتاور بعنوان فیدبک بار موتور برای حذف فیدبکهای دیگر.

اینورترها قابلیت رجنریتیو داشته و در صورت نیاز به پایین آوردن سریع سرعت ، امکان برگشت انرژی از موتور به شبکه وجود دارد