اینورتر چیست؟

مقدمه

با افزایش کاربرد موتورهای القایی در صنعت بحث کنترل این موتورها اهمیت ویژه های پیدا کرده است. درایو الکتریکی در موتورهای الکتریکی عبارت است سیستمی که سرعت و گشتاور یک موتور الکتریکی را کنترل می‌کند.درایو VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس تغذیه اعمال شده به موتور الکتریکی است.

مقدمه

با افزایش کاربرد موتورهای القایی در صنعت بحث کنترل این موتورها اهمیت ویژه های پیدا کرده است. درایو الکتریکی در موتورهای الکتریکی عبارت است سیستمی که سرعت و گشتاور یک موتور الکتریکی را کنترل می‌کند.درایو VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس تغذیه اعمال شده به موتور الکتریکی است.

اینورتر چیست و چه کاربردی دارد؟

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 ترا موج تولیدی توسط اینورترها یک موج مربعی است که می‌توان با استفاده از فیتلرهای مخصوص آن را به موج سینوسی تبدیل کرد.

عملی که این مبدل‌ها انجام می‌دهند معکوس عملی است که یکسوکننده‌ها انجام می‌دهند. 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. اینورترها معمولا برای تامین جریان AC از منابع DC مانند برق شهر،پانل های خورشیدی یا باتری مورد استفاده قرار می گیرند.

VFD به نامهای AFD (درایو فرکانس قابل تنظیم) یا VSD (درایو سرعت متغیر) نیز خوانده می‌شود. همچنین به مدارهای اینورتری که دارای فرکانس و ولتاژ خروجی قابل تغییر باشند درایو الکتریکی گفته می‌شود. این درایو بر این اصل عمل می‌کند که سرعت سنکرون یک موتور AC به فرکانس تغذیه آن موتور AC بستگی دارد .

شرحی بر سیستم VFD

موتورهای استفاده شده در سیستم VFD معمولاً سه فاز هستند. سیستم کنترل کننده فرکانس به وسیله اپراتور فرمان گرفته و توان AC را به یک توان AC با فرکانس متغیر تبدیل می‌کند.

در این حالت ابتدا سیگنال AC به DC تبدیل شده و سپس دوباره توسط اینورتر به AC تبدیل می‌شود. ولتاژ اعمال شده طبق مشخصه موتور به این موتور الکتریکی باید دارای رابطه زیر باشد ( n عدد ثابت )

n=v/f

مثلاً یک موتور با مشخصه عملکرد 460 ولت و فرکانس 60 هرتز چنان چه فرکانسش به 30 هرتز تغییر کرد می بایست ولتاژش نیز به 230 ولت کاهش یابد تا ضریب n ثابت بماند. برای کنترل این فرآیند از مدولاسیون معروف PWM استفاده می‌شود.

عملکرد واسط اپراتور در سیستم VFD

اپراتور به وسیله یک صفحه کلید و یک صفحه نمایش (LCD) بر کارکرد موتور کنترل دارد. این کنترلرها معمولاً عبارتند از:

1- استارت و استاپ موتور الکتریکی

2- بر عکس کردن جهت چرخش موتور

3- سوئیچ کردن بین حالت دستی یا حالت اتوماتیک کنترل دور موتور

(چنانچه عمل کنترل قرار باشد از طریق کامپیوتر انجام شود نیاز به یکی از پروتکل های ارتباط سریال داریم) شروع کار موتور به این صورت است که ابتدا به موتور یک ولتاژ همراه با فرکانس پائین (مثلاً 2 هرتز) داده می‌شود تا از شوکهای اولیه وارده به موتور در هنگام استارت جلوگیری شود. چنانچه موتور به این صورت استارت نشود در ابتدای کار جریان کشیده شده تا 3 برابر مقدار نامی افزایش می یابد. یک سیستم VFD با روش استارت درست می تواند 150% گشتاور شروع را تنها با کشیدن 150% جریان ایجاد کند. بعد از مرحله استارت، فرکانس و ولتاژ توسط اپراتور یا کامپیوتر جهت افزایش سرعت موتور زیاد می‌شود

دیگر کاربردها و مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :

• نظیم کننده سرعت موتور
• تغیر دهنده جهت دور به راحتی و بدون نیاز به کنتاکتور
• روشن و خاموش نمودن موتور بدون نیاز به قطع و وصل برق اصلی
• کاهش ضربه های مکانیکی و در نتیجه افزایش طول عمر مفید قسمت مکانیکی
• حفاظت موتور در مقابل افزایش ولتاژ و جلوگیری از آسیب دیدن موتور
• راه اندازی نرم موتور بدون هیچ گونه ضربه به قسمتهای مکانیکی مثل کوپلینگ ها ، گیر بکس ها ، تسمه ها ، زنجیرها و ... و در نتیجه افزایش طول عمر مفید موتور و سایر قسمتهای مکانیکی را به دنبال خواهد داشت .
• حفاظت موتور در برابر اضافه بار؛ در این حالت چنانچه بار موتور از مقدار معمول مجاز بیشتر شود ، اینورتر موتور را خاموش می نماید و به کاربر پیام اضافه بار نشان می دهد .
• جلوگیری از گرم کردن و در نهایت سوختن موتور در کابرد هایی که موتور به طور مداوم چپگرد و راستگرد و یا خاموش می شود

همچنین چون در بسیاری از کاربردها انرژی زیادی برای راه اندازی لازم است موتور انتخاب شده را با توان بالاتری انتخاب می کنند بنابراین میزان جریان زیادتری هم در حین کار از شبکه استفاده می کند .

چنانجه از اینورتر استفاده شود ، اینورتر به صورت کاملا اتوماتیک این جریان را در حین راه اندازی به مقدار لازم افزایش و در حین کار به مقدار لازم کاهش می دهد ، بنابراین به طور کلی هزینه برق مصرفی کاهش چشم گیری خواهد داشت .

کاهش جریان موتور به صورت اتوماتیک در هنگامی که بار موتور کم می شود . این قابلیت به غیر از کاهش هزینه برق مصرفی موجب افزایش طول عمر مفید موتور خواهد شد .

امکان استفاده از برق تکفاز 220 ولت به جای سه فاز 380 ولت برای راه اندازی موتور سه فاز حداکثر با توان 3HP ( 2.2kw ). به این معنا که می توان با برق خانگی یک موتور سه فاز را کاملا به صورت عادی راه اندازی نمود .

قابلیت داشتن دورهای مختلف به صورت حافظه ای .تبدیل یک موتور یک دور به یک موتور چند دور با سرعتهای دلخواه ،امکان ایجاد فشار ثابت در کاربرد پمپها به این ترتیب است که با تغییر دور موتور فشار مورد نظر را ثابت نگه میدارد . به عنوان مثال فشار آب یک مخزن را ثابت نگه می دارد بنابراین در هنگام مصرف آب دور موتور به صورت خودکار زیاد می شود و در هنگامی که آب مصرف نمی گردد دور موتور به صورت خودکار کاهش می یابد . بنابراین دور موتور با مقدار مصرف تغییر می نماید بنابراین آب با فشار ثابت به تمام نقاط می رسد .

مکان اتصال انکدر به اینورتر که باعث می شود دور یک موتور با موتور دیگر یکسان شود .کنترل دور به صورت خودکار در مواردی که لازم است دور موتور بسته به میزان محصول تولید شده تغییر کند . استفاده از اینورترها بر روی پمپ و فن و کمپرسورها در طی سال های اخیر بسیار گسترش یافته است .استفاده از آنها برای کنترل دور موتورها مزایای زیادی دارد که مهمترین آنها عبارتند از :

1- عدم نیاز به دستگاههای کنترل دبی مکانیکی.

2- ذخیره انرژی تا 50%

3- نبودن شوک راه اندازی.

4- افزایش عمر مفید قطعات مکانیکی.

از اینورترها در سه ناحیه استفاده می گردد :

1- فعالیتهای گشتاور ثابت مثل میکسرها , اکسترودرها , نوارهای نقاله و . . .

2- فعالیتهای توان ثابت مثل کشش و دستگاههای ماشینی.

3- فعالیتهای گشتاور متغیر مثل فن و پمپ.

در پمپها و فنها میزان دبی با سرعت موتور متناسب است. اما توان مصرفی با مکعب سرعت تناسب دارد. مثلاً اگر دور موتور به میزان 50% کاهش یابد آنگاه توان مصرفی لازم 12.5% خواهد بود و این به مفهوم 87.5% صرفه جویی در انرژی است.

کاربرد های اینورتر

از نظر کاربرد اینورترها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. برای راه اندازی پمپ ها، فن ها،آسانسور،جرثقیل، نوارهای نقاله ، دستگاههای اکسترودر و...... از اینورتراستفاده می شود. برای پمپ و فن از اینورترهای با گشتاور متغیر و برای آسانسورونوار نقاله و جرثقیل از اینورتر با گشتاور ثابت و برای اکسترودرها از اینورتر با فیدبک PG بهره برداری میکنند.دیگر کاربردهای آن به صورت زیر است

منبع تغذیه

اینورتر برق DC را از منابعی مانند باتری، پانل های خورشیدی، یا سلولهای سوختی به برق AC تبدیل می کند. برق خروجی را می توان به هر ولتاژی که لازم باشد تبدیل کرد. میکرو اینورترها مستقیما جریان را از پانل های خورشیدی به جریان متناوب تبدیل می کنند

منابع برق اضطراری

استفاده از باتری و اینورتر بعنوان منبع تغذیه اضطراری (یو پی اس) جهت تامین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نیست. وقتی که برق اصلی مجددا برقرار شد ، از یکسو کننده برای شارژ کردن باتری ها استفاده می شود.

گرمکن القائى

از اینورتر ها برای بالا بردن فرکانس برق اصلی جهت استفاده در گرمکن القائى استفاده می شود. برای اینکار ابتدا برق اصلی با به DC تبدیل کرده و سپس بوسیله اینورتر برق DC را به AC با فرکانس بالاتر تبدیل می کنند.

انتقال انرژی به روش HVDC

در انتقال برق به روش HVDC (انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد و با تلفات کم)، ابتدا برق AC به برق DC با ولتاژ بالا تبدیل شده و به مکان دیگری منتقل می شود. سپس در محل دریافت، به کمک اینورتر آن را به برق AC تبدیل می کنند.

درایو فرکانس متغیر

درایو فرکانس متغیر یا VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس برق اعمال شده به موتور الکتریکی است. اینورتر وظیفه کنترل برق را بعهده می گیرد. در اغلب موارد ، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است به طوری که برق DC مورد نیاز اینوتر از برق AC اصلی تامین می شود. از آنجا که در اینجا اینورتر یک عنصر اصلی است، بعضی اوقات درایو فرکانس متغیر به نام درایو اینورتر یا کلا اینورتر نامیده می شود.

استفاده از باتری و اینورتر بعنوان منبع تغذیه اضطراری (یو پی اس) جهت تامین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نیست. وقتی که برق اصلی مجددا برقرار شد ، از یکسو کننده برای شارژ کردن باتری ها استفاده می شود

درایوهای الکتریکی وسیله نقلیه

در حال حاضر از اینورتر جهت کنترل قدرت کشش موتور در برخی وسایل نقلیه برقی مانند قطار برقی و همچنین برخی از خودروهای الکتریکی و هیبریدی مانند تویوتا Prius استفاده می شود. به طور خاص پیشرفت های مختلف انجام شده در تکنولوژی اینورترها به خاطر کاربرد آنها در وسایل نقلیه برقی است. در وسایل نقلیه مجهز به ترمز احیا کننده، اینورتر همچنین انرژی خود را از موتور (که در این جا به عنوان یک ژنراتور عمل می کند) گرفته و آن را در باتری ها ذخیره می کند.

استفاده در پنلهای خورشیدی

پنلهای خورشیدی دارای خروجی DC هستند که با استفاده از اینورترها این توان تبدیل به AC می‌شود.انواع اینورترها از نظر فاز و شکل موج خروجی: اینورترها از نظر فاز تبدیل به دو نوع عمده تک فاز و سه فاز تقسیم بندی می‌شوند همچنین از نظرشکل موج خروجیشان به چهار نوع زیر تقسیم می‌شوند.

1-خروجی به شکل موج مربعی

2- خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (معمولی)

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

4- خروجی به شکل سینوسی خالص

مناسب برای جوشکارى انواع فولاد و خصوصاً جوشکارى آلومینیوم

در گذشته دستگاههاى جوشکارى بر پایه ترانسفورماتور بوده اند .عملکرد ترانسفورمرها درفرکانس 50 یا 60 هرتز معمولاً نا کارآمد مى باشد . گرماى زیادى در ترانسفورمر تولید شده وترانسفورمر نیز باید نسبتاً بزرگ و سنگین باشد . بخش مهمى از انرژى ، صرف گرم کردن ترانسفورمر و فضاى اطراف آن مىشود . ترانسفورمر قدرت اصلى که با توان 20000 هرتز کار مى کند ، به مراتب بهینه تر وکارآمدتر از انواع 50 هرتزى آن است که این به معناى کوچک شدن قابل توجه ترانسفورمر مى باشد . بعنوان مثال در مقایسه بادستگاههاى رکتیفایر ترانسفورمرى باحدود 100 تا 200 کیلوگرم وزن ، دستگاههاى مشابه اینورترى حدود 8تا 40 کیلوگرم وزن دارند. بنابراین ازمزایاى سبک و قابل حمل بودن دستگاههاى اینورترى لذت خواهید برد .

دیگر برترى دستگاههاى اینورترى ، بهره ورى اقتصادى آنها مى باشد . بعنوان مثال، مقدار جریان اولیه در یک دستگاه اینورترسه فاز با جریان خروجى 200 آمپر، 12 آمپر مى باشد. اما این جریان در مدل هاى ترانسفورمر معمولى حدود 18 آمپر در جریانهاى مشابه است . اگر چه گاهى اوقات در زمینه صرفه جویى در تبدیل سیستم هاى ترانسفورمر به اینورتر اغراق مى شود.

اما میتوان گفت شما بطور سالیانه حداقل % 15 و بسته به سایر شرایط تا % 30 در زمینه نیروى مصرفى ، کاهش هزینه خواهید بسیار یکنواخت و عارى از هرگونه نوسانات DC ورودى به دستگاه ، در سیستم اینورترى به یک AC داشت .

منبع:وب سایت پارس اتوماسیون