اینورتر چیست؟ طرز کار، انواع، مزایا و ویژگی‌ها

اینورترها به عنوان یکی از پیشگامان تحول در صنعت برق در سال‌های اخیر، نقشی کلیدی در بهبود راندمان، انعطاف‌پذیری و کنترل دقیق سیستم‌های الکتریکی ایفا کرده‌اند. این تحولات در صنایع مختلف از جمله تولید، پتروشیمی، معدن، و اتوماسیون مشهود است. اینورتر به عنوان یکی از مهم‌ترین تجهیزات برق صنعتی، نقش حیاتی در تبدیل جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) ایفا می‌کند. این تجهیز با قابلیت‌های منحصر به فرد خود، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف یافته است. حال که به اهمیت اینورترها پی بردید، در این مقاله با تهویه آسمان همراه باشید تا به بررسی و نحوه کار اینورتر پرداخته، انواع آن را بررسی نماییم و مزایای آن را بازگو کنیم.

اینورتر چیست؟

اینورتر تجهیزی است که ولتاژ مستقیم (DC) را به ولتاژ متناوب (AC) تبدیل می‌کند. در بیشتر موارد، ولتاژ ورودی DC پایین‌تر است در حالی که AC خروجی برابر با ولتاژ شبکه برق، بسته به کشور، 120 ولت یا 240 ولت است. اینورتر می‌تواند به عنوان یک تجهیز مستقل برای کاربردهایی مانند انرژی خورشیدی یا به عنوان منبع تغذیه پشتیبان از باتری‌های جداگانه شارژ شده، ساخته شود. اینورتر در لغت به معنای مبدل است.

نوع دیگر هنگامی است که اینورتر بخشی از یک مدار بزرگتر مانند منبع تغذیه (PSU) یا سیستم برق اضطراری (UPS) باشد. در این حالت، ورودی DC اینورتر از جریان متناوب اصلاح شده اصلی در PSU تامین می‌شود، در حالی که از جریان متناوب اصلاح شده در UPS در زمان وجود برق و از باتری‌ها در هنگام قطع برق تامین می‌شود.

اینورترها بر اساس شکل موج سوئیچینگ دارای انواع مختلفی هستند. این انواع تنظیمات مدار، بازدهی، مزایا و معایب متفاوتی دارند. اینورتر ولتاژ AC را از منابع تغذیه DC تامین می‌کند و برای تامین انرژی لوازم الکترونیکی و تجهیزات برقی با ولتاژ اصلی AC مفید است. علاوه بر این، آنها به طور گسترده در مراحل معکوس ساز منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شوند. مدارها بر اساس فناوری سوئیچینگ و نوع سوئیچ، شکل موج، فرکانس و شکل موج خروجی طبقه بندی می‌شوند.

به عبارت بهتر اینورتر یک تبدیل دهنده الکتریکی است که از نیمه هادی ها استفاده می کند. به وسیله ای که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می کند، اینورتر DC-AC گفته می شود. به طور کلی، به مداری که با ترکیب یک مبدل AC-DC و یک اینورتر DC-AC، فرکانس و ولتاژ مشخصی را تبدیل می کند، مدار اینورتر (اینورتر) گفته می شود. اینورتر با درایو با راندمان بالا و چرخش روان به طیف وسیعی از سرعت های چرخش دست می یابد. از آنجایی که ولتاژ خروجی و فرکانس خروجی را می توان به طور دلخواه کنترل کرد، به طور گسترده برای کنترل سرعت چرخش موتورهای AC و موتورهای brushless استفاده می شود. کنترل اینورتر به مصرف کم انرژی و درایو با راندمان بالا دست می یابد.

موتورهای بدون جاروبک (همچنین به عنوان موتورهای BLDC یا براشلس شناخته می شوند) نوعی موتور الکتریکی هستند که از جاروبک برای کموتاسیون استفاده نمی کنند. در عوض، آنها از یک کنترل کننده الکترونیکی برای روشن و خاموش کردن سیم پیچ های استاتور در ترتیبی استفاده می کنند که روتور را به چرخش در می آورد.

اینورترها در انواع مختلفی در بازار وجود دارند و مهمترین انواع آنها اینورترهای تک فاز یا سه فاز هستند. اینورتر در علم الکترونیک به المان‌هایی گفته می‌شود که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کند. هرگونه دستگاهی که برق DC را به برق AC تبدیل کند، اینورتر نامیده می شود. کاربرد دیگر اینورترها (یا درایو AC)، کنترل سرعت موتور AC سه‌فاز است بدون آنکه توان و گشتاور موتور کاهش یابد. اینورترها در ظرفیت‌های مختلف ساخته می‌شوند و در مصرف برق بسیار باعث صرفه جویی شده و میزان مصرف برق را تا حد زیادی کاهش می دهد.

موتور اینورتر یا “موتور الکتریکی اینورتری” یک نوع موتور الکتریکی است که با استفاده از تکنولوژی اینورتر کنترل می‌شود. این نوع موتورها برخلاف موتورهای القایی سنتی که سرعت ثابت دارند، قابلیت تغییر سرعت بر اساس نیاز را دارند. در موتورهای اینورتری، از یک وسیله الکترونیکی به نام “اینورتر” یا “مبدل فرکانس” استفاده می‌شود. این اینورتر وظیفه تبدیل جریان متناوب ثابت (AC) به جریان متناوب متغیر (AC) با فرکانس متغیر را دارد. با تغییر فرکانس این جریان، سرعت موتور نیز تغییر می‌کند.

انواع اینورتر

اینورترها مبدل‌های الکترونیکی هستند که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کنند. آنها می‌توانند برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی، پمپ‌ها و سایر تجهیزات استفاده شوند. دو نوع اصلی اینورتر وجود دارد، اینورترهای تک فاز و اینورترهای سه فاز.

اینورترهای تک فاز:

اینورترهای تک فاز برق ورودی تک فاز (110 ولت یا 220 ولت) را به برق AC سه فاز تبدیل می‌کنند. آنها معمولاً برای کاربردهای کوچکتر مانند ماشین‌های لباسشویی، یخچال‌ها و کولرهای گازی استفاده می‌شوند.

اینورترهای سه فاز:

اینورترهای سه فاز برق ورودی سه فاز (208 ولت یا 480 ولت) را به برق AC سه فاز تبدیل می‌کنند. آنها معمولاً برای کاربردهای بزرگتر مانند موتورهای صنعتی، پمپ‌ها و آسانسورها استفاده می‌شوند.

انواع اینورترهای سه فاز:

1. اینورترهای با ولتاژ و فرکانس ثابت (V/F): اینورترهای V/F ساده‌ترین نوع اینورتر هستند. آنها یک ولتاژ و فرکانس ثابت را به موتور ارائه می‌دهند. اینورترهای V/F معمولاً برای کاربردهایی با سرعت ثابت استفاده می‌شوند.
2. اینورترهای برداری بدون حسگر (Sensorless Vector Control): اینورترهای برداری بدون حسگر از یک مدل ریاضی برای تخمین سرعت و موقعیت موتور استفاده می‌کنند. این به آنها اجازه می‌دهد تا کنترل دقیق‌تری از موتور ارائه دهند. اینورترهای برداری بدون حسگر معمولاً برای کاربردهایی با سرعت متغیر استفاده می‌شوند.
3. اینورترهای برداری با حسگر (Sensor Vector Control): اینورترهای برداری با حسگر از حسگرهای سرعت و موقعیت برای اندازه‌گیری دقیق سرعت و موقعیت موتور استفاده می‌کنند. این به آنها اجازه می‌دهد تا دقیق‌ترین کنترل را بر روی موتور ارائه دهند. اینورترهای برداری با حسگر معمولاً برای کاربردهای با کارایی بالا استفاده می‌شوند.

انواع اینورتر از نظر موج تولیدی

اینورترها بر اساس شکل موج ولتاژ خروجی به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند که عبارتند از اینورتر موج مربعی، اینورتر موج سینوسی اصلاح‌شده (شبه سینوسی)، اینورتر موج سینوسی خالص و اینورتر موج شبه ذوزنقه‌ای.

اینورتر موج مربعی ساده‌ترین و ارزان‌ترین نوع اینورتر است. شکل موج خروجی این نوع اینورتر مربعی است که می‌تواند برای بارهای مقاومتی مانند لامپ‌های رشته‌ای مناسب باشد. اما برای بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی مناسب نیست زیرا می‌تواند باعث هارمونیک‌های ناخواسته و نویز الکتریکی شود.

اینورتر موج سینوسی اصلاح‌شده (شبه سینوسی)، شکل موج خروجی شبیه به موج سینوسی دارد. این نوع اینورتر برای بارهای مقاومتی و خازنی مانند لامپ‌های فلورسنت و کامپیوترها مناسب است. اما برای بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی می‌تواند باعث تلفات اضافی و گرم شدن بیش از حد موتور شود.

اینورتر موج سینوسی خالص، شکل موج خروجی کاملاً سینوسی دارد که مشابه برق شبکه است. این نوع اینورتر برای انواع بارها، از جمله بارهای مقاومتی، خازنی و القایی مانند موتورهای الکتریکی مناسب است. اینورتر موج سینوسی خالص، برق با کیفیت بالا و مشابه برق شبکه را ارائه می‌دهد. این نوع اینورتر برای انواع بارها، از جمله بارهای مقاومتی، خازنی و القایی مانند موتورهای الکتریکی مناسب است. اینورترهای موج سینوسی خالص می‌توانند راندمان بالایی داشته و نویز بسیار کمی تولید کنند. البته اینورترهای موج سینوسی خالص معمولاً گران‌تر، بزرگ‌تر و سنگین‌تر از سایر انواع اینورترها هستند. اینورترهای موج سینوسی خالص برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله سیستم‌های خورشیدی، تجهیزات پزشکی مانند دستگاه‌های تنفس مصنوعی و مانیتورهای قلبی، ابزارهای برقی مانند دریل‌ها، اره‌ها و فرزها و لوازم خانگی مانند یخچال، فریزر، و ماشین لباسشویی استفاده می‌شوند.

اینورتر موج شبه ذوزنقه‌ای، بین موج مربعی و شبه سینوسی قرار دارد. این نوع اینورتر برای بارهای مقاومتی و خازنی مناسب است. اینورترهای موج شبه ذوزنقه‌ای معمولاً ارزان‌تر، کوچکتر و سبک‌تر از اینورترهای موج سینوسی خالص هستند. این اینورترها می‌توانند راندمان بالایی داشته باشند، به خصوص برای بارهای مقاومتی و خازنی. البته اینورترهای موج شبه ذوزنقه‌ای می‌توانند EMI بیشتری نسبت به اینورترهای موج سینوسی خالص تولید کنند. همچنین می‌توانند نویز بیشتری نسبت به اینورترهای موج سینوسی خالص تولید کرده و گرمای بیشتری نیز تولید کنند.

انتخاب نوع اینورتر به نوع بار و میزان حساسیت آن به شکل موج ولتاژ بستگی دارد. برای بارهای مقاومتی، هر نوع اینورتر می‌تواند مناسب باشد. اما برای بارهای خازنی و القایی، باید از اینورتر موج سینوسی یا شبه سینوسی استفاده کرد.

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

درایو فرکانس متغیر (VFD Inverter یا Variable Frequency Drive) که به عنوان اینورتر نیز شناخته می‌شود، یک دستگاه الکترونیکی است که برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی AC استفاده می‌شود. VFD با تغییر فرکانس و ولتاژ برق ورودی به موتور، سرعت آن را تنظیم می‌کند. در کاربردهایی که نیازی نیست موتور با سرعت کامل خود کار کند، از درایو VFD می توان برای کاهش فرکانس و ولتاژ مطابق با بار روی موتور استفاده کرد. در کاربردهایی که نیاز است سرعت موتور تغییر کند، درایو VFD به راحتی می تواند با افزایش یا کاهش سرعت گردش موتور، سرعت مورد نیاز را فراهم کند.

مزایای استفاده از VFD:

• کنترل دقیق سرعت: VFD می‌تواند سرعت موتور را با دقت بالایی کنترل کند. این امر می‌تواند به بهبود راندمان و دقت فرآیندهای صنعتی کمک کند.
• صرفه‌جویی در انرژی: VFD می‌تواند با تنظیم سرعت موتور متناسب با بار، مصرف انرژی را به طور قابل‌توجهی کاهش دهد.
• کاهش سایش و پارگی: VFD با کاهش سرعت موتور در هنگام راه‌اندازی و توقف، سایش و پارگی موتور را کاهش می‌دهد.
• افزایش عمر موتور: VFD با کاهش تنش‌های الکتریکی و مکانیکی روی موتور، عمر آن را افزایش می‌دهد.
• کاهش نویز: VFD می‌تواند نویز موتور را به طور قابل‌توجهی کاهش دهد.

کاربردهای VFD:

VFD در طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی و تجاری استفاده می‌شود، از جمله:

• پمپ‌ها: VFD می‌تواند برای کنترل سرعت پمپ‌ها در سیستم‌های آبرسانی، فاضلاب، و تهویه مطبوع استفاده شود.
• فن‌ها: VFD می‌تواند برای کنترل سرعت فن‌ها در سیستم‌های تهویه مطبوع، گرمایش، و صنعتی استفاده شود.
• نوار نقاله‌ها: VFD می‌تواند برای کنترل سرعت نوار نقاله‌ها در خطوط تولید و مونتاژ استفاده شود.
• ماشین‌های آلات: VFD می‌تواند برای کنترل سرعت ماشین‌های آلات در صنایع مختلف مانند نساجی، چاپ، و پلاستیک استفاده شود.
• آسانسورها: VFD می‌تواند برای کنترل سرعت آسانسورها و بالابرها استفاده شود.

این نوع اینورتر که به صورت اختصار (VFD) نامیده می شود با کنترل کردن فرکانس برق ورودی AC سبب کنترل دور چرخش الکتروموتور و راه اندازی نرم آن می شود و فرکانس با گردش دور الکتروموتور رابطه مستقیم دارد به این صورت که هر چه فرکانس افزایش یابد سرعت دور الکتروموتور نیز افزایش می یابد.

برق DC مورد نیاز اینورتر از برق AC اصلی شهر با ولتاژ 220 ولت و فرکانس 50 هرتز تامین می شود به صورتی که ابتدا برق AC به برق DC و سپس به وسیله اینورتر به برق AC مورد نیاز تبدیل می شود و از آنجایی که سرعت گردش الکتروموتور با فرکانس رابطه مستقیمی دارد با تغییر دادن نسبی فرکانس و ولتاژ اعمال شده به الکتروموتور، سرعت شفت را کنترل و راه اندازی می کند. AC مخفف ترکیب Alternating Current به معنای جریان متناوب و DC مخفف Direct Current به معنای جریان مستقیم می باشد.

VFD یک دستگاه بسیار کارآمد و مفید برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی AC است. VFD می‌تواند مزایای متعددی مانند صرفه‌جویی در انرژی، افزایش عمر موتور، و کاهش نویز را ارائه دهد. VFD در طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی و تجاری استفاده می‌شود.

عملکرد اینورتر

مدارهای پایه‌ای یک اینورتر شامل نوسان‌ساز، مدار کنترل، مدار درایور برای قطعات قدرت، قطعات سوئیچینگ و یک ترانسفورماتور است. تبدیل DC به ولتاژ متناوب با تبدیل انرژی ذخیره شده در منبع DC مانند باتری یا خروجی یکسو کننده به ولتاژ متناوب انجام می شود. این کار با استفاده از تجهیزاتی انجام می شود که به طور پیوسته روشن و خاموش می شوند و سپس با استفاده از ترانسفورماتور تقویت می شوند. اگرچه برخی پیکربندی ها وجود دارند که از ترانسفورماتور استفاده نمی کنند، اما استفاده گسترده ای ندارند.

ولتاژ ورودی DC توسط قطعات قدرت مانند MOSFET یا ترانزیستورهای قدرت روشن و خاموش می شود و پالس ها به سمت اولیه ترانسفورماتور تغذیه می شوند. ولتاژ متغیر در سیم پیچ اولیه، یک ولتاژ متناوب را در سیم پیچ ثانویه القا می کند. ترانسفورماتور همچنین به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند و ولتاژ خروجی را با نرخی که توسط نسبت دورها تعیین می شود، افزایش می دهد. در اکثر موارد، ولتاژ خروجی از استاندارد 12 ولت تامین شده توسط باتری ها به 120 تا 240 ولت AC افزایش می یابد.

سه مرحله خروجی معمولاً استفاده شده اینورتر عبارتند از، پوش-کشی (push-pull) با ترانسفورماتور با اتصالات مرکزی، نیم پل پوش-کشی (push-pull half-bridge) یا پل کامل پوش-کشی (push-pull full bridge). پوش-کشی با اتصالات مرکزی به دلیل سادگی و نتایج تضمینی محبوب ترین است؛ با این حال، از ترانسفورماتور سنگین تری استفاده می کند و بازده پایین تری دارد. یک مدار اینورتر DC به AC فشار-کشش ساده با ترانسفورماتور مرکزی در شکل زیر نشان داده شده است.

تاریخچه اینورتر

ایده اولیه اینورتر به قرن نوزدهم باز می گردد. در سال 1831، مایکل فارادی کشف کرد که می توان با تغییر میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی را در یک سیم پیچ القا کرد. این کشف پایه و اساس موتورهای الکتریکی و ژنراتورها را تشکیل داد. اولین اینورترها در دهه 1900 برای تبدیل جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) برای استفاده در رادیو و سایر تجهیزات الکترونیکی توسعه یافتند. این اینورترها از لامپ های خلاء استفاده می کردند که بزرگ، شکننده و ناکارآمد بودند.

در دهه 1950، ترانزیستور اختراع شد. ترانزیستورها کوچکتر، قوی تر و کارآمدتر از لامپ های خلاء بودند. این امر منجر به توسعه اینورترهای حالت جامد شد که کوچکتر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر از اینورترهای لامپ خلاء بودند. در دهه 1970، با پیشرفت فناوری نیمه هادی، اینورترهای IGBT (ترانزیستور دوقطبی با دروازه عایق) توسعه یافتند. IGBT ها مزایای بسیاری نسبت به ترانزیستورهای معمولی داشتند، از جمله توانایی سوئیچینگ سریعتر و کارآمدتر. این امر منجر به توسعه اینورترهای با فرکانس بالا شد که کوچکتر، سبک تر و کارآمدتر از اینورترهای قبلی بودند.

امروزه، اینورترها در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند، از جمله:

• منابع انرژی تجدیدپذیر: اینورترها برای تبدیل برق DC تولید شده توسط پنل های خورشیدی و توربین های بادی به برق AC قابل استفاده در شبکه برق استفاده می شوند.
• ذخیره انرژی: اینورترها برای تبدیل برق DC ذخیره شده در باتری ها به برق AC قابل استفاده در لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی استفاده می شوند.
• وسایل نقلیه الکتریکی: اینورترها برای تبدیل برق DC ذخیره شده در باتری های خودروهای الکتریکی به برق AC برای راه اندازی موتورها استفاده می شوند.
• صنعت: اینورترها برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی استفاده می شوند.

اینورترها نقش مهمی در توسعه و استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، ذخیره انرژی و وسایل نقلیه الکتریکی ایفا می کنند. با پیشرفت فناوری، اینورترها به طور فزاینده ای کارآمدتر، مقرون به صرفه و قابل اعتمادتر می شوند.

کاربرد اینورتر در کمپرسور

کمپرسور دستگاهی است که برای فشرده کردن هوا یا سایر گازها به فشارهای بالاتر از فشار جو استفاده می‌شود. هوای گرفته شده از جو را فشرده می‌کند و فشار آن را افزایش می‌دهد. کمپرسورها در بسیاری از صنایع مختلف مانند خودروسازی، شیمیایی و پتروشیمی، نساجی، تهویه مطبوع، مواد غذایی، انرژی، بهداشت و درمان و شیشه کاربرد دارند.

کارهایی که کمپرسورها انجام می‌دهند شامل سه مرحلۀ، ایجاد نیروی مکش لازم برای مکیدن گاز مبرد از اواپراتور، متراکم کردن گاز، و درنهایت فرستادن آن به کندانسور است. نام این مراحل به ترتیب عبارتند از مکش، تراکم و تخلیه. اندازه کمپرسورها می‌تواند از یک جعبه دستمال کوچک که مناسب که باد زدن تایرها است، گرفته تا ماشین‌های غول پیکر رفت و برگشتی یا توربو کمپرسور موجود در خدمات خط لوله، باشد.

انواع کمپرسورها براساس اصل کار عبارتند از کمپرسور سیلندر پیستونی، کمپرسور اسکرو، کمپرسور اسکرال، کمپرسور گریز از مرکز، کمپرسور جریان محوری و کمپرسور جابجایی مثبت روتاری.

مطلب مرتبط: تفاوت کمپرسور روتاری و اینورتر

اینورترها در کمپرسورها برای کنترل سرعت موتور الکتریکی استفاده می‌شوند. با کنترل سرعت موتور، می‌توان ظرفیت خنک‌کنندگی کمپرسور را به طور متناسب با نیاز تنظیم کرد. این امر مزایای متعددی دارد:

مزایای استفاده از اینورتر در کمپرسور:

• صرفه‌جویی در انرژی: با تنظیم سرعت موتور متناسب با نیاز، مصرف انرژی کمپرسور به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.
• کاهش سایش و پارگی: با کنترل سرعت موتور، سایش و پارگی قطعات کمپرسور کاهش می‌یابد و عمر مفید آن افزایش می‌یابد.
• کاهش نویز: با کنترل سرعت موتور، نویز کمپرسور به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.
• افزایش دقت کنترل دما: با تنظیم دقیق سرعت موتور، می‌توان دمای محیط را با دقت بیشتری کنترل کرد.
• قابلیت کار در شرایط مختلف: اینورترها می‌توانند سرعت موتور را در شرایط مختلف، مانند بارهای مختلف و ولتاژهای مختلف برق، تنظیم کنند.

انواع اینورترهای مورد استفاده در کمپرسور:

1. اینورترهای V/F: این نوع اینورترها با تغییر فرکانس و ولتاژ برق ورودی به موتور، سرعت آن را تنظیم می‌کنند.
2. اینورترهای برداری بدون حسگر: این نوع اینورترها از یک مدل ریاضی برای تخمین سرعت و موقعیت موتور استفاده می‌کنند و با استفاده از این اطلاعات، سرعت موتور را تنظیم می‌کنند.
3. اینورترهای برداری با حسگر: این نوع اینورترها از حسگرهای سرعت و موقعیت برای اندازه‌گیری دقیق سرعت و موقعیت موتور استفاده می‌کنند و با استفاده از این اطلاعات، سرعت موتور را تنظیم می‌کنند.

استفاده از اینورتر در کمپرسور می‌تواند مزایای متعددی مانند صرفه‌جویی در انرژی، کاهش سایش و پارگی، و افزایش دقت کنترل دما را به همراه داشته باشد. هنگام انتخاب اینورتر برای کمپرسور، باید به چند عامل مانند توان موتور، ولتاژ و فرکانس، و نوع کنترل توجه کرد.

جمع‌بندی

اینورتر یک تجهیز الکترونیکی است که وظیفه آن تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب بوده، لذا به آن مبدل جریان مستقیم به متناوب نیز گفته می‌شود. در این تجهیز معمولاً قابلیت تغییر فرکانس و ولتاژ نیز وجود دارد. این محصول دارای نام‌های بسیاری از جمله درایو، درایو فرکانس متغیر، کنترل دور موتور یا VFD می‌باشد.