اینورتر ها از نظر فاز و شکل موج خروجی

اینورتر چگونه کار می‌کند؟

نحوه عملکرد اینورتر را با یک مثال بیان می‌کنیم. فرض کنید یک به باتری متصل شده است و به همراه آن یک مسیر بسته را می‌سازد. 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 ترمینال‌های A و B متصل هستند و لامپ روشن می‌شود. در ادامه، ترمینال‌های باتری را با یکدیگر تعویض می‌کنیم. در این شرایط نیز لامپ روشن می‌شود. 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 می‌توانید باتری را ۵۰ یا ۶۰ دور در دقیقه بچرخانید. چه اتفاقی می‌افتد؟ جهت ۵۰ یا ۶۰ بار تغییر می‌کند. این دقیقاً مشابه توان AC و فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز است. این مثال تنها برای درک اصول عملکرد یک اینورتر است. در عمل، اینورتر هرگز اینچنین کار نمی‌کند و بخش متحرکی ندارد. در واقع، اینورتر از ، مانند و بهره می‌برد. تعداد سوئیچ‌ها به نوع اینورتر بستگی دارد. نمودار مدار یک اینورتر تمام موج تک‌فاز در شکل زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که می‌بینیم، در شکل بالا چهار سوئیچ یا کلید وجود دارد. منبع DC و بار نیز در شکل مشخص شده‌اند. 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 می‌شوند 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 کلید‌ها خروجی را تعیین می‌کند. خروجی اینورتر یک مربعی است. از فیلترها نیز برای تولید یک استفاده می‌شود.

انواع اینورترها

اینورترها را می‌توان با توجه به شکل موج خروجی، نوع بار خروجی و روش‌های به دسته‌های 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 می‌رود، اما ساده‌ترین 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 می‌کنند، برای موج سینوسی طراحی شده‌اند. اینورتر موج مربعی سیگنال DC را به یک سیگنال AC با فاز جابه جا شده تبدیل می‌کند. اما خروجی یک سیگنال AC خالص نیست. این نوع اینورتر، ارزان‌ترین 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 می‌روند.

اینورترهای شبه‌سینوسی

این اینورتر سیگنالی تولید می‌کند که شبیه یک موج سینوسی است. اما توانایی تولید یک شکل موج سینوسی خالص را ندارد. اینورتر شبه‌سینوسی وقفه‌هایی قبل از جابه‌جایی فاز تولید می‌کند. این اینورترها فاز را مستقیماً از مثبت به منفی تغییر نمی‌دهند (برخلاف آنچه در مورد اینورترهای مربعی داریم). ساختار اینورتر شبه‌سینوسی پیچیده‌تر از اینورتر موج مربعی است، اما از اینورتر سینوسی خالص ساده‌تر است.

اینورترهای سینوسی

اینورترهای سینوسی پربازده‌ترین و البته پیچیده‌ترین نوع از اینورترها هستند. این نوع، شکل موج سینوسی خالص تولید می‌کند که شبیه شکل موج توان شبکه است. همه وسایل برقی برای کار در برق AC‌ سینوسی خالص طراحی شده‌اند. اینورترهای سینوسی را می‌توان 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 می‌توانند 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 می‌کنیم. اینوترهای تکفاز، خود دو نوع هستند:

اینورترهای نیم‌موج تکفاز

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

اینورتر نیم‌موج 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، نیم‌سیکل مثبت خروجی تولید می‌شود.

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

اینورترهای تمام‌موج تکفاز

در یک اینورتر تمام‌موج، چهار تریستور و چهار فیدبک وجود دارد و یک منبع DC نیز ورودی مدار است. در یک اینورتر نیم‌موج، در هر لحظه یک سوئیچ روشن است و جریان را عبور می‌دهد. اما در اینورتر تمام‌موج، در هر لحظه دو سوئیچ جریان را از خود عبور می‌دهند.

اینورتر تمام‌موج 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 نیم‌سیکل مثبت جریان را تشکیل می‌دهد.

در مد دوم، تریستورهای S3 و S4 وصل هستند و تریستورهای S1 و S2 جریان را از خود عبور نمی‌دهند. 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 نیم‌سیکل منفی شکل موج را تشکیل می‌دهد.

اینورترهای سه‌ فاز

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

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 ۱۲۰ درجه

در این اینورتر، در هر لحظه، دو تریستور هدایت می‌کنند. مدت هدایت برای همه تریستورها ۱۲۰ درجه است. این بدین معنی است که یک سوئیچ به اندازه ۱۲۰ درجه روشن و ۲۴۰ درجه بعدی خاموش می‌ماند. شکل ولتاژ فاز یک شکل موج شبه‌مربعی است و شکل ولتاژ‌ خط یک شکل موج سه‌پله‌ای خواهد بود.

اینورترهای سه‌ فاز در مد عملکرد ۱۸۰ درجه

در این اینورتر، سه تریستور در هر لحظه در حال هدایت هستند. زمان هدایت همه تریستورها به اندازه ۱۸۰ درجه است. شکل ولتاژ خط و ولتاژ‌ فاز ۱۲۰ برعکس مد عملکرد ۱۲۰ درجه است. در اینجا، شکل موج ولتاژ فاز یک شکل موج سه‌پله‌ای خواهد بود و برای ولتاژ خط شکل موج شبه‌مربعی است. در مد عملکرد ۱۸۰ درجه، دو تریستور از یک پل مشترک به طور همزمان روشن و خاموش هستند. برای مثال، در یک نیم‌سیکل (۱۸۰ درجه)، S1 روشن و در نیم‌سیکل بعدی S4 روشن است. بنابراین، در همان لحظه، S1 خاموش و S4 روشن می‌شود. به دلیل این هدایت همزمان، مدار ممکن است اتصال کوتاه شود. این مسئه در مورد مد ۱۲۰ درجه رخ نمی‌دهد.

انواع اینورترها بر اساس PWM

خروجی اینورتر یک سیگنال موج مربعی است و این سیگنال برای بار استفاده نمی‌شود. روش مدولاسیون پهنای پالس (PWM) برای کنترل ولتاژ خروجی AC به کار می‌رود. این روش کنترلی با کنترل مدت زمان ON و OFF کلیدها انجام می‌شود. در روش PWM دو سیگنال استفاده می‌شود: یکی سیگنال مرجع برای و دیگری سیگنال حامل مثلثی. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه این دو سیگنال تولید می‌شود. روش‌های مختلفی برای مدولاسیون پهنای پالس وجود دارد:

در ادامه، این روش‌ها را توضیح می‌دهیم.

اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس تکی (SPWM)

در هر نیم‌سیکل، تنها پالس در این روش کنترل موجود است. سیگنال مرجع سیگنال موج مربعی و سیگنال حامل یک سیگنال موج مثلثی است. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می‌شود. فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می‌شود. دامنه سیگنال مرجع Ar و دامنه سیگنال حامل Ac است، پس می‌توان 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 نیم‌سیکل ولتاژ خروجی از چندین پالس استفاده می‌شود. در این حالت، گیت با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل ایجاد می‌شود. فرکانس خروجی با کنترل فرکانس سیگنال حامل کنترل شده و از شاخص مدولاسیون برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. تعداد پالس‌ها درهر نیم‌سیکل 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 می‌گیرد. در هر دو روش بالا، سیگنال مرجع یک سیگنال موج مربعی است. اما در این روش، سیگنال مرجع یک سیگنال سینوسی است. پالس گیت سوئیچ‌ها با مقایسه سیگنال مرجع موج سینوسی با موج حامل مثلثی ایجاد می‌شود. پهنای هر پالس با تغییر دامنه موج سینوسی تغییر می‌کند. فرکانس شکل موج خروجی همانند فرکانس سیگنال مرجع است. ولتاژ خروجی یک موج سینوسی است و را می‌توان 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 نمی‌توان 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 ۶۰ درجه اول و آخر هر نیم‌سیکل اعمال می‌شود. به این ترتیب، ویژگی هارمونیک آن بهبود می‌یابد. مهم‌ترین مزیت این روش افزایش مؤلفه اساسی، کاهش تعداد قطعات سوئیچینگ و کاهش تلفات سوئیچینگ است. شکل موج این روش PWM در شکل زیر نشان داده شده است