اینورتر ها از نظر فاز و شکل موج خروجی

اینورتر چگونه کار می کند؟

نحوه عملکرد اینورتر را با یک مثال بیان می کنیم. فرض کنید یک به باتری متصل شده است و به همراه آن یک مسیر بسته را می سازد. بنابراین، جریان از لامپ عبور خواهد کرد. لامپ دو ترمینال دارد که A و B هستند. ترمینال مثبت و منفی باتری، نیز به ترتیب به ترمینال های A و B متصل هستند و لامپ روشن می شود. در ادامه، ترمینال های باتری را با یکدیگر تعویض می کنیم. در این شرایط نیز لامپ روشن می شود. اما چرا در این دو حالت، با وجود تغییراتی که دادیم، نتیجه تغییری نکرده است؟

تعمیر اینورتر: در اینجا یک چیز فرق کرده و آن جهت جریان AC است. اکنون تصور کنید که می توانید باتری را 50 یا 60 دور در دقیقه بچرخانید. چه اتفاقی می افتد؟ جهت 50 یا 60 بار تغییر می کند. این دقیقاً مشابه توان AC و فرکانس 50 یا 60 هرتز است. این مثال تنها برای درک اصول عملکرد یک اینورتر است. در عمل، اینورتر هرگز اینچنین کار نمی کند و بخش متحرکی ندارد. در واقع، اینورتر از ، مانند و بهره می برد. تعداد سوئیچ ها به نوع اینورتر بستگی دارد. نمودار مدار یک اینورتر تمام موج تک فاز در شکل زیر نشان داده شده است.

همان طور که می بینیم، در شکل بالا چهار سوئیچ یا کلید وجود دارد. منبع DC و بار نیز در شکل مشخص شده اند. وقتی کلیدهای S1 و S2 روشن (ON) باشند، کلیدهای S3 و S4 خاموش (OFF) هستند و جهت جریان گذرنده از بار در این شرایط مثبت است. در این حالت، نیم سیکل مثبت خروجی AC را خواهیم داشت.

در ادامه، کلیدهای S3 و S4 روشن می شوند و کلیدهای S1 و S2 خاموش. جریان در این حالت در جهت مخالف است و نیم سیکل منفی خروجی AC را خواهد ساخت. زمان ON و OFF شدن کلید ها خروجی را تعیین می کند. خروجی اینورتر یک مربعی است. از فیلترها نیز برای تولید یک استفاده می شود.

انواع اینورترها

اینورترها را می توان با توجه به شکل موج خروجی، نوع بار خروجی و روش های به دسته های مختلفی تقسیم کرد.

انواع اینورترها بر اساس شکل موج خروجی

انواع اینورترها از نظر شکل موج خروجی عبارتند از:

اینورترهای موج مربعی

این نوع اینورتر کم به کار می رود، اما ساده ترین نوع اینورتر نیست. شکل موج خروجی این اینورتر یک موج مربعی است. وسایل برقی خانگی و تقریباً همه تجهیزات برقی که با برق AC کار می کنند، برای موج سینوسی طراحی شده اند. اینورتر موج مربعی سیگنال DC را به یک سیگنال AC با فاز جابه جا شده تبدیل می کند. اما خروجی یک سیگنال AC خالص نیست. این نوع اینورتر، ارزان ترین اینورتر از سه نوعی است که نام بردیم. اگر یک وسیله برقی را به یک اینورتر موج مربعی وصل کنیم، تلفات بیشتری خواهد داشت. همچنین، در بدترین حالت، ممکن است وسیله آسیب ببیند. این نوع اینورترها در کنار فیلترها (مانند ) برای ساخت اینورترهای سینوسی به کار می روند.

اینورترهای شبه سینوسی

این اینورتر سیگنالی تولید می کند که شبیه یک موج سینوسی است. اما توانایی تولید یک شکل موج سینوسی خالص را ندارد. اینورتر شبه سینوسی وقفه هایی قبل از جابه جایی فاز تولید می کند. این اینورترها فاز را مستقیماً از مثبت به منفی تغییر نمی دهند (برخلاف آنچه در مورد اینورترهای مربعی داریم). ساختار اینورتر شبه سینوسی پیچیده تر از اینورتر موج مربعی است، اما از اینورتر سینوسی خالص ساده تر است.

اینورترهای سینوسی

اینورترهای سینوسی پربازده ترین و البته پیچیده ترین نوع از اینورترها هستند. این نوع، شکل موج سینوسی خالص تولید می کند که شبیه شکل موج توان شبکه است. همه وسایل برقی برای کار در برق AC سینوسی خالص طراحی شده اند. اینورترهای سینوسی را می توان از طریق اصلاح شکل موج اینورترهای موج مربعی نیز ساخت. این اینورترها تلفات کمتری دارند، اما هزینه ساختشان نیز بالاست. اینورترهای سینوسی در موارد تجاری و خانگی کاربردهای فراوانی دارند.

انواع اینورتر بر اساس نوع بار

با توجه به نوع بار، اینورترهای AC می توانند تکفاز یا باشند. بنابراین، دو نوع بار وجود دارد و بر همین اساس، دو نوع اینورتر نیز داریم:

اگر بار تکفاز باشد، از اینورتر تکفاز استفاده می کنیم. اینوترهای تکفاز، خود دو نوع هستند:

اینورترهای نیم موج تکفاز

دو تریستور (S1 و S2) به دو دیود فیدبک (D1 و D2) مطابق شکل زیر متصل شده اند. ولتاژ منبع به دو بخش مساوی تقسیم می شود. بار مقاومتی برای درک عملکرد اینورتر قرار داده شده است.

اینورتر نیم موج تکفاز دو مد عملکردی دارد. در مد اول، تریستور S1 روشن و S2 خاموش هستند و مسیر عبور جریان در این حالت، $V/2-S1-B-RL-A-V/2$ است. جریان گذرنده از بار از B به A و ولتاژ دو سر بار مثبت $ V / 2 $ است. در این حالت، نیم سیکل مثبت خروجی تولید می شود.

در مد دوم، S2 روشن و S1 خاموش هستند و جریان از مسیر $ V/2-A-RL-B_S2-V/2$ عبور می کند. جریان گذرنده از بار از A تا B و ولتاژ دو سر بار نیز منفی $ V/ 2 $ است. در این مد، نیم سیکل منفی خروجی به دست می آید.

اینورترهای تمام موج تکفاز

در یک اینورتر تمام موج، چهار تریستور و چهار فیدبک وجود دارد و یک منبع DC نیز ورودی مدار است. در یک اینورتر نیم موج، در هر لحظه یک سوئیچ روشن است و جریان را عبور می دهد. اما در اینورتر تمام موج، در هر لحظه دو سوئیچ جریان را از خود عبور می دهند.

اینورتر تمام موج تکفاز نیز دو مد عملکردی دارد. در مد اول، تریستورهای S1 و S2 روشن و تریستورهای S3 و S4 خاموش هستند و مسیر عبور جریان $V-S1-A-RL-B-S2-V$ است. جریان گذرنده از بار نیز از A به B است و نیم سیکل مثبت جریان را تشکیل می دهد.

در مد دوم، تریستورهای S3 و S4 وصل هستند و تریستورهای S1 و S2 جریان را از خود عبور نمی دهند. در این حالت، جریان گذرنده از مدار، در مسیر $ V-S3-B-RL-A-S4-V$ قرار دارد. جهت جریان گذرنده از بار نیز از A تا B خواهد بود و نیم سیکل منفی شکل موج را تشکیل می دهد.

اینورترهای سه فاز

در صنایع بارهای الکتریکی عموماً سه فاز هستند و از منبع AC سه فاز استفاده می شود. در این موارد از اینورتر سه فاز برای تغذیه بار استفاده می شود.

در یک اینورتر سه فاز، شش دیود و شش تریستور وجود دارد. بسته به زمان هدایت تریستور، این اینورتر به دو نوع عملکرد خواهد داشت:

اینورترهای سه فاز در مد عملکرد 120 درجه

در این اینورتر، در هر لحظه، دو تریستور هدایت می کنند. مدت هدایت برای همه تریستورها 120 درجه است. این بدین معنی است که یک سوئیچ به اندازه 120 درجه روشن و 240 درجه بعدی خاموش می ماند. شکل ولتاژ فاز یک شکل موج شبه مربعی است و شکل ولتاژ خط یک شکل موج سه پله ای خواهد بود.

اینورترهای سه فاز در مد عملکرد 180 درجه

در این اینورتر، سه تریستور در هر لحظه در حال هدایت هستند. زمان هدایت همه تریستورها به اندازه 180 درجه است. شکل ولتاژ خط و ولتاژ فاز 120 برعکس مد عملکرد 120 درجه است. در اینجا، شکل موج ولتاژ فاز یک شکل موج سه پله ای خواهد بود و برای ولتاژ خط شکل موج شبه مربعی است. در مد عملکرد 180 درجه، دو تریستور از یک پل مشترک به طور همزمان روشن و خاموش هستند. برای مثال، در یک نیم سیکل (180 درجه)، S1 روشن و در نیم سیکل بعدی S4 روشن است. بنابراین، در همان لحظه، S1 خاموش و S4 روشن می شود. به دلیل این هدایت همزمان، مدار ممکن است اتصال کوتاه شود. این مسئه در مورد مد 120 درجه رخ نمی دهد.

انواع اینورترها بر اساس PWM

خروجی اینورتر یک سیگنال موج مربعی است و این سیگنال برای بار استفاده نمی شود. روش مدولاسیون پهنای پالس (PWM) برای کنترل ولتاژ خروجی AC به کار می رود. این روش کنترلی با کنترل مدت زمان ON و OFF کلیدها انجام می شود. در روش PWM دو سیگنال استفاده می شود: یکی سیگنال مرجع برای و دیگری سیگنال حامل مثلثی. پالس گیت سوئیچ ها با مقایسه این دو سیگنال تولید می شود. روش های مختلفی برای مدولاسیون پهنای پالس وجود دارد:

در ادامه، این روش ها را توضیح می دهیم.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس تکی (SPWM)

در هر نیم سیکل، تنها پالس در این روش کنترل موجود است. سیگنال مرجع سیگنال موج مربعی و سیگنال حامل یک سیگنال موج مثلثی است. پالس گیت سوئیچ ها با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می شود. 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. ضعف اصلی این روش، محتوای بالای آن است.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس چندگانه (MPWM)

عیب روش مدولاسیون پهنای پالس تکی توسط PWM چندگانه حل شده است. در این تکنیک به جای یک پالس، در هر نیم سیکل ولتاژ خروجی از چندین پالس استفاده می شود. در این حالت، گیت با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می شود. فرکانس خروجی با کنترل فرکانس سیگنال حامل کنترل شده و از شاخص مدولاسیون برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می شود. تعداد پالس ها درهر نیم سیکل برابر با $ f _ c / ( 2 f _ 0 ) $ است که در آن، $ f _ c $ فرکانس سیگنال حامل و $ f _ 0 $ فرکانس سیگنال خروجی است.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM)

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

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWN)

با توجه به مشخصه موج سینوسی، پهنای پالس را نمی توان با تغییر شاخص مدولاسیون در تکنیک SPWM تغییر داد. به همین دلیل است که تکنیک MSPWN معرفی شده است. در این تکنیک، سیگنال حامل در فاصله 60 درجه اول و آخر هر نیم سیکل اعمال می شود. به این ترتیب، ویژگی هارمونیک آن بهبود می یابد. مهم ترین مزیت این روش افزایش مولفه اساسی، کاهش تعداد قطعات سوئیچینگ و کاهش تلفات سوئیچینگ است. شکل موج این روش PWM در شکل زیر نشان داده شده است