منبع تغذیه جریان متناوب (AC) تقریباً برای تمام نیازهای مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می شود. اما بزرگترین مشکل AC این است که نمی توان آن را برای استفاده در آینده ذخیره کرد. بنابراین AC به DC تبدیل می شود و سپس DC در باتری ها و سوپر خازن ها ذخیره می شود . و اکنون هر زمان که AC مورد نیاز باشد، DC دوباره به AC تبدیل می شود تا دستگاه های مبتنی بر AC را اجرا کند. بنابراین دستگاهی که DC را به AC تبدیل می کند اینورتر نامیده می شود . اینورتر برای تبدیل DC به AC متغیر استفاده می شود. این تغییر می تواند در بزرگی ولتاژ، تعداد فازها، فرکانس یا اختلاف فاز باشد.
طبقه بندی اینورتر
اینورتر را می توان بر اساس خروجی، منبع، نوع بار و غیره به انواع مختلفی طبقه بندی کرد. در زیر طبقه بندی کامل مدارهای اینورتر آورده شده است:
(I) با توجه به مشخصه خروجی
- اینورتر موج مربعی
- اینورتر موج سینوسی
- اینورتر موج سینوسی اصلاح شده
(II) با توجه به منبع اینورتر
- اینورتر منبع جریان
- اینورتر منبع ولتاژ
(III) با توجه به نوع بار
- اینورتر تک فاز
- اینورتر نیم پل
- اینورتر پل کامل
- اینورتر سه فاز
- حالت 180 درجه
- حالت 120 درجه
(IV) با توجه به تکنیک های مختلف PWM
- مدولاسیون عرض پالس ساده (SPWM)
- مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM)
- مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM)
- مدولاسیون عرض پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)
(V) با توجه به تعداد سطح خروجی
- اینورتر دو سطحی معمولی
- اینورتر چند سطحی
اکنون همه آنها را یک به یک مورد بحث قرار می دهیم. در اینجا می توانید نمونه ای از طراحی مدار اینورتر AC 12 ولت DC تا 220 ولت را بررسی کنید .
(I) با توجه به مشخصه خروجی
با توجه به مشخصه خروجی یک اینورتر ، سه نوع مختلف اینورتر وجود دارد .
- اینورتر موج مربعی
- اینورتر موج سینوسی
- اینورتر موج سینوسی اصلاح شده
1) اینورتر موج مربعی
شکل موج خروجی ولتاژ برای این اینورتر یک موج مربعی است. این نوع اینورتر در بین انواع دیگر اینورترها کمتر مورد استفاده قرار می گیرد زیرا همه دستگاه ها برای تامین امواج سینوسی طراحی شده اند. اگر موج مربعی را به دستگاه مبتنی بر موج سینوسی عرضه کنیم، ممکن است آسیب ببیند یا تلفات بسیار زیاد باشد. هزینه این اینورتر بسیار کم است اما کاربرد آن بسیار نادر است. می توان از آن در ابزارهای ساده با موتور یونیورسال استفاده کرد.
2) موج سینوسی
شکل موج خروجی ولتاژ یک موج سینوسی است و خروجی بسیار مشابهی با منبع برق به ما می دهد. این مزیت اصلی این اینورتر است زیرا تمام وسایلی که ما استفاده می کنیم برای موج سینوسی طراحی شده اند. بنابراین، این خروجی عالی است و تضمین می کند که تجهیزات به درستی کار خواهند کرد. این نوع اینورترها گرانتر هستند اما در کاربردهای مسکونی و تجاری به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
3) موج سینوسی اصلاح شده
ساخت این نوع اینورتر نسبت به اینورتر موج مربعی ساده پیچیده است اما در مقایسه با اینورتر موج سینوسی خالص ساده تر است. خروجی این اینورتر نه موج سینوسی خالص است و نه موج مربع. خروجی چنین اینورتر مقداری از دو موج مربعی است. شکل موج خروجی دقیقاً موج سینوسی نیست، اما شبیه شکل موج سینوسی است.
(II) با توجه به منبع اینورتر
- اینورتر منبع ولتاژ
- اینورتر منبع جریان
1) اینورتر منبع جریان
در CSI ورودی یک منبع جریان است. این نوع اینورترها در کاربردهای صنعتی ولتاژ متوسط استفاده می شود که در آن شکل موج جریان با کیفیت بالا اجباری است. اما CSI ها محبوب نیستند.
2) اینورتر منبع ولتاژ
در VSI ورودی یک منبع ولتاژ است. این نوع اینورتر به دلیل کارایی بیشتر و قابلیت اطمینان بالاتر و پاسخ دینامیکی سریعتر در همه کاربردها استفاده می شود. VSI قادر به راه اندازی موتورها بدون کاهش توان است.
(III) با توجه به نوع بار
- اینورتر تک فاز
- اینورتر سه فاز
1) اینورتر تک فاز
به طور کلی، بار مسکونی و تجاری از برق تک فاز استفاده می کند. برای این نوع کاربردها از اینورتر تک فاز استفاده می شود. اینورتر تک فاز بیشتر به دو قسمت تقسیم می شود.
- اینورتر نیم پل تک فاز
- اینورتر تک فاز تمام پل
الف) اینورتر نیم پل تک فاز
این نوع اینورتر از دو تریستور و دو دیود تشکیل شده است و اتصال آن مطابق شکل زیر می باشد.
در این حالت ولتاژ DC کل Vs است و به دو قسمت مساوی Vs/2 تقسیم می شود. زمان یک سیکل T ثانیه است.
برای نیم سیکل 0 <t <T/2، تریستور T1 هدایت می کند. ولتاژ بار به دلیل منبع ولتاژ بالایی Vs/2 است.
برای نیمه دوم چرخه T/2 <t <T، تریستور T1 تغییر کرده و T2 هدایت می شود. در این دوره، ولتاژ بار به دلیل منبع کمتر Vs/2 -Vs/2 است.
Vo = Vs/2
1/T هرتز و دامنه پیک Vs/2 بدست آوریم. شکل موج خروجی یک موج مربعی است. از فیلتر عبور می کند و هارمونیک های ناخواسته را که به ما شکل موج سینوسی خالص می دهد حذف می کند. فرکانس شکل موج را می توان با زمان روشن (Ton) و زمان خاموش (Toff) تریستور کنترل کرد.
مقدار ولتاژ خروجی نیمی از ولتاژ تغذیه و دوره استفاده از منبع 50٪ است. این یکی از معایب اینورتر نیم پل است و راه حل آن اینورتر پل کامل است .
ب) اینورتر تک فاز تمام پل
در این نوع اینورتر از چهار تریستور و چهار دیود استفاده می شود. نمودار مدار پل تک فاز کامل مطابق شکل زیر می باشد.
در یک زمان دو تریستور T1 و T2 برای نیمه اول چرخه 0 < t < T/2 هدایت می کنند. در این مدت، ولتاژ بار Vs است که مشابه ولتاژ تغذیه DC است.
برای نیمه دوم چرخه T/2 < t < T، دو تریستور T3 و T4 هدایت می کنند. ولتاژ بار در این دوره برابر با – است.
در اینجا ما می توانیم ولتاژ خروجی AC را مانند ولتاژ منبع تغذیه DC دریافت کنیم و ضریب استفاده 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 تمام تریستورها به طور همزمان یا در یک جفت (T1 و T3) یا (T2 و T4) هدایت شوند، منبع اتصال کوتاه خواهد شد. دیودها در مدار به عنوان دیود بازخورد متصل می شوند زیرا برای بازخورد انرژی به منبع DC استفاده می شود.
اگر اینورتر پل کامل را با اینورتر نیم پل مقایسه کنیم، برای بار ولتاژ منبع DC داده شده، ولتاژ خروجی دو برابر و توان خروجی چهار برابر اینورتر پل کامل است.
2) اینورتر پل سه فاز
در بار صنعتی از منبع تغذیه سه فاز ac استفاده می شود و برای این کار باید از اینورتر سه فاز استفاده کنیم. در این نوع اینورتر از شش تریستور و شش دیود استفاده می شود که مطابق شکل زیر به هم متصل می شوند.
با توجه به درجه پالس های گیت می تواند در دو حالت کار کند.
- حالت 180 درجه
- حالت 120 درجه
الف) حالت 180 درجه
در این حالت عملکرد، زمان هدایت تریستور 180 درجه است. در هر زمان از دوره، سه تریستور (یک تریستور از هر فاز) در حالت هدایت هستند. شکل ولتاژ فاز سه شکل موج و شکل ولتاژ خط یک موج شبه مربعی است که در شکل نشان داده شده است.
Vab = Va0 – Vb0
Vbc = Vb0 – Vc0
Vca = Vc0 – Va0
فاز A | T1 | T4 | T1 | T4 | |||||||||
فاز B | T6 | T3 | T6 | T3 | T6 | ||||||||
فاز C | T5 | T2 | T5 | T2 | T5 | ||||||||
درجه | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | |
تریستور هدایت می کند | 1 5 6 | 6 1 2 | 1 2 3 | 2 3 4 | 3 4 5 | 4 5 6 | 1 5 6 | 6 1 2 | 1 2 3 | 2 3 4 | 3 4 5 | 4 5 6 | |
در این عملیات فاصله زمانی بین کموتاسیون تریستور خروجی و هدایت تریستور ورودی صفر است. بنابراین هدایت همزمان تریستور ورودی و خروجی امکان پذیر است. منجر به اتصال کوتاه منبع می شود. برای جلوگیری از این مشکل، از حالت عملکرد 120 درجه استفاده می شود.
ب) حالت 120 درجه
در این عملیات، در یک زمان تنها دو تریستور هدایت می کنند. یکی از فازهای تریستور نه به ترمینال مثبت و نه به قطب منفی متصل است. زمان هدایت برای هر تریستور 120 درجه است. شکل ولتاژ خط، شکل موج سه پله ای و شکل ولتاژ فاز یک شکل موج شبه مربعی است.
فاز A | T1 | T4 | T1 | T4 | ||||||||
فاز B | T6 | T3 | T6 | T3 | T6 | |||||||
فاز C | T2 | T5 | T2 | T5 | ||||||||
درجه | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 |
تریستور هدایت می کند | 1 6 | 2 1 | 3 2 | 3 4 | 4 5 | 6 5 | 1 6 | 2 1 | 3 2 | 3 4 | 4 5 | 5 6 |
شکل موج ولتاژ خط، ولتاژ فاز و پالس گیت تریستور مطابق شکل بالا می باشد.
در هر کلید الکترونیکی قدرت، دو نوع تلفات وجود دارد. افت هدایت و افت سوئیچینگ . افت هدایت به معنای از دست دادن حالت روشن در سوئیچ و افت سوئیچینگ به معنای از دست دادن حالت خاموش در سوئیچ است. به طور کلی، افت هدایت بیشتر از تلفات سوئیچینگ در بیشتر عملیات است.
اگر حالت 180 درجه را برای یک عملیات 60 درجه در نظر بگیریم، سه سوئیچ باز و سه سوئیچ بسته هستند. میانگین تلفات کل برابر است با سه برابر افت هدایت به علاوه سه برابر افت سوئیچینگ.
تلفات کل در 180 درجه = 3 (افت رسانایی) + 3 (افت سوئیچینگ)اگر حالت 120 درجه را برای یک عملیات 60 درجه در نظر بگیریم، دو سوئیچ باز و بقیه چهار سوئیچ بسته هستند. میانگین تلفات کل برابر است با دو برابر افت هدایت به علاوه چهار برابر افت سوئیچینگ.
تلفات کل در 120 درجه = 2 (افت رسانایی) + 4 (افت سوئیچینگ)(IV) طبقه بندی بر اساس تکنیک کنترل
- مدولاسیون عرض پالس تک (تک PWM)
- 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 دوره روشن و خاموش سوئیچ ها به دست می آید. در تکنیک PWM از دو سیگنال استفاده می شود. یکی سیگنال مرجع و دوم سیگنال حامل مثلثی است. پالس گیت برای سوئیچ ها با مقایسه این دو سیگنال تولید می شود. انواع مختلفی از تکنیک های PWM وجود دارد.
1) مدولاسیون عرض پالس تک (تک PWM)
برای هر نیم سیکل، تنها پالس در این تکنیک کنترلی موجود است. سیگنال مرجع سیگنال موج مربعی و سیگنال حامل سیگنال موج مثلثی است. پالس گیت برای سوئیچ ها با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل تولید می شود. فرکانس ولتاژ خروجی توسط فرکانس سیگنال مرجع کنترل می شود. دامنه سیگنال مرجع Ar و دامنه سیگنال حامل Ac است، سپس شاخص مدولاسیون را می توان Ar/Ac تعریف کرد. اشکال اصلی این تکنیک محتوای هارمونیک بالا است.
2) مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM)
اشکال تکنیک مدولاسیون عرض پالس تک توسط PWM چندگانه حل شده است. در این تکنیک به جای یک پالس در هر نیم سیکل ولتاژ خروجی از چند پالس استفاده می شود. گیت با مقایسه سیگنال مرجع و سیگنال حامل تولید می شود. فرکانس خروجی با کنترل فرکانس سیگنال حامل کنترل می شود. شاخص مدولاسیون برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می شود.
تعداد پالس ها در نیم سیکل = fc/ (2*f0)
جایی که fc = فرکانس سیگنال حامل
f0 = فرکانس سیگنال خروجی
3) مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM)
این تکنیک 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 گیت برای سوئیچ ها با مقایسه سیگنال مرجع موج سینوسی با موج حامل مثلثی ایجاد می شود. عرض هر پالس با تغییر دامنه موج سینوسی متفاوت است. فرکانس شکل موج خروجی همان فرکانس سیگنال مرجع است. ولتاژ خروجی یک موج سینوسی است و ولتاژ RMS را می توان با شاخص مدولاسیون کنترل کرد. شکل موج مانند شکل زیر است.
4) مدولاسیون عرض پالس سینوسی اصلاح شده (MSPWM)
با توجه به ویژگی موج سینوسی، عرض پالس موج را نمی توان با تغییر در شاخص مدولاسیون در تکنیک SPWM تغییر داد. به همین دلیل است که تکنیک MSPWN معرفی شده است. در این تکنیک، سیگنال حامل در اولین و آخرین بازه 60 درجه ای هر نیم سیکل اعمال می شود. به این ترتیب مشخصه هارمونیک آن بهبود می یابد. مزیت اصلی این تکنیک افزایش مولفه اساسی، کاهش تعداد دستگاه های برق سوئیچینگ و کاهش تلفات سوئیچینگ است. شکل موج مانند شکل زیر است.
(V) با توجه به تعداد سطوح در خروجی
- اینورتر دو سطحی معمولی
- اینورتر چند سطحی
1) اینورتر دو سطحی معمولی
این اینورترها فقط دارای سطوح ولتاژ در خروجی هستند که ولتاژ پیک مثبت و ولتاژ پیک منفی هستند. گاهی اوقات داشتن سطح ولتاژ صفر به عنوان اینورتر دو سطحی نیز شناخته می شود.
2) اینورترهای چند سطحی
این اینورترها می توانند چندین سطح ولتاژ در خروجی داشته باشند. اینورتر چند سطحی به چهار قسمت تقسیم می شود.
– اینورتر خازن پرنده
– اینورتر گیره دار دیود
– اینورتر هیبریدی
– اینورتر آبشاری نوع H
هر اینورتر طراحی خاص خود را برای عملکرد دارد، در اینجا به طور مختصر این اینورترها را توضیح داده ایم تا ایده های اساسی در مورد آنها به دست آوریم.
