مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب

نام انگلیسی: Inverter

مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب یا اینورتر (Inverter) به المانهایی اطلاق میشود که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل میکند. فرکانس و سطح ولتاژی تولیدی توسط این قطعه الکترونیکی میتواند توسط تقویت کنندهها به سطح ولتاژ و فرکانس دلخواه تبدیل گردد. 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 یکسو کنندهها انجام میدهند. مقدمه: اینورتر یک دستگاه الکتریکی است که می تواند جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل کند. با استفاده از ترانسفورماتورها، سوئیچ ها و مدارات کنترل، AC تبدیل شده می تواند هر مقدار ولتاژی و فرکانسی داشته باشد. اینورترهای استاتیک قطعات متحرک ندارند و در رنج وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. از منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها تا کاربردهای جریان مستقیم ولتاژ بالای تاسیسات الکتریکی برای انتقال عمده توان. اینورترها معمولا برای تغذیه توان AC از منبع DC استفاده می شود مثل پنل خورشیدی یا باتری ها. اینورترهای الکتریکی اسیلاتورهای الکتریکی توان بالا هستند. علت نامگذاری این است که قبلا برای تبدیل کردن DC به AC از مبدل های AC به DC به صورت معکوس استفاده می شد. اینورتر عمل مخالف تابع یکسوساز را انجام می دهد. شرح و توصیف: در یک مدار اینورتر ساده، منبع DC از طریق سر وسط سیم پیچ ورودی به یک ترانسفورمر متصل می شود. یک کلید به سرعت بین سیم پیچ های بالا و پایین سوئیچ می شود تا جریان منبع DC به صورت متناوب از طریق یک سر سیم پیچ اولیه و سپس از دیگری جاری شود. تناوب جریان در سیم پیچ اولیه ترانسفورمر در سیم پیچ ثانویه جریان متناوب (AC) تولید می کند. نوع الکترومکانیکی تجهیزات سوئیچینگ شامل دو اتصال ثابت و یک اتصال متحرک با نگهدارنده فنری است. فنر اتصال متحرک را خلاف جهت یکی از اتصالات ثابت نگه می دارد و یک آهنربای مغناطیسی اتصال متحرک را به سمت اتصال ثابت مخالف می کشد. جریان آهنربای مغناطیسی با عمل سوئیچ قطع می شود. به طوری که کلید دائما و به سرعت بین سیم پیچ های بالا و پایین سوئیچ می شود. این نوع کلید اینورتر الکترومغناطیسی، ویبراتور یا بیزر نامیده می شود، که قبلا در رادیوهای لامپی اتومبیل استفاده می شد. مکانیزمی مشابه در زنگ درها، بیزرها و سرنگ خالکوبی استفاه شده است. هنگامی که آنها در حال در دسترس بودن با توان نامی مناسب بودند، ترانزیستورها و انواع مختلف دیگر سوئیچ های نیمه هادی در طراحی مدارات اینورتر وارد شدند. شکل موج خروجی: کلید در اینورتر ساده ی توضیح داده شده در بالا یک شکل موج ولتاژ مربعی تولید می کند. در عوض موج سینوسی که شکل موج متداول منبع تغذیه AC است. با استفاده از تحلیل فوریه، شکل موج متناوب متشکل از مجموعی از بی نهایت سری از موج های سینوسی است. موج سینوسی که همان فرکانس را دارد به عنوان شکل موج اصلی، مولفه ی اصلی نامیده می شود. شکل موج های سینوسی دیگر، هارمونیک نامیده می شوند، که شامل یک سری با مضارب صحیح فرکانس اصلی هستند. کیفیت شکل موج خروجی اینورتر می تواند برای محاسبه اعوجاج هارمونیکی کل (THD) با استفاده از اطلاعات آنالیز فوریه بیان شود. اعوجاج هارمونیکی کل جذر مجموع مربعات ولتاژ هارمونیک ها تقسیم بر ولتاژ اصلی است. کیفیت شکل موج خروجی که از یک اینورتر مد نظر است به مشخصات مصرف کننده وابسته است. بعضی مصرف کننده ها برای کارکرد صحیح به منبع ولتاژ تقریبا سینوسی کامل نیاز دارند. مصرف کننده های دیگر ممکن است با ولتاژ مربعی خیلی خوب کار کنند. طراحی های پیشرفته: پیکره بندی های مختلفی برای مدارات قدرت وجود دارد و راه حل های مختلفی در طراحی اینورتر استفاده می شود. روش های مختلف طراحی که ممکن است کما بیش اهمیت داشته باشد، به این که اینورتر برای چه مقصودی طراحی شده است، بستگی دارد. برامد کیفیت شکل موج به روش های زیادی می تواند مرتب شود. خازن ها و سلف ها می توانند برای فیلتر کردن شکل موج استفاده شوند. اگر طراحی شامل یک ترانسفورمر باشد، فیلتر می تواند به اولیه یا ثانویه ترانسفورمر یا به هر دو سمت آن اعمال شود. فیلتر پایین گذر برای اجازه عبور دادن به مولفه اصلی شکل موج به خروجی در حین محدود کردن عبور مولفه های هارمونیک به کار برده می شود. اگر اینورتر برای تامین انرژی در فرکانس ثابت طراحی شده است، یک فیلتر تشدید می تواند مورد استفاده قرار گیرد. برای یک اینورتر فرکانس متغیر، فیلتر باید برای فرکانسی تنظیم شود که بالاتر از حداکثر فرکانس مولفه اصلی باشد. از آنجایی که اکثر مصرف کننده ها شامل سلف هستند، یکسوسازهای فیدبک یا دیود های موازی-معکوس اغلب به دو سر هر یک از سوئیچ های نیمه هادی متصل می شود تا مسیری برای پیک جریان بار القائی موقع قطع سوئیچ ایجاد کند. دیودهای موازی-معکوس تا حدی شبیه دیودهای هرزگرد استفاده شده در مدارات مبدل های AC/DC هستند. تحلیل فوریه نشان می دهد که یک شکل موج، مثل موج مربعی، که حدودا در نقطه۱۸۰ درجه غیر متقارن هستند، فقط شامل هارمونیک های فرد هستند، سوم، پنجم، هفتم و الی آخر. شکل موج هایی که پله هایی با عرض های معین و سعود و نزول محو دارند، هارمونیک های اضافی را حذف می کنند. برای مثال با اضافه کردن یک پله صفر ولت بین قسمت های مثبت و منفی موج مربعی، همه ی هارمونیک هایی که بر ۳ بخش پذیر هستند، حذف می شوند و فقط هامونیک های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و… باقی می ماند. عرض مورد نیاز برای پله ها یک سوم پریود هر پله مثبت یا منفی و یک ششم پریود هر پله صفر ولت است. تغییر موج مربعی توضیح داده شده در بالا یک مثال از مدولاسیون پهنای باند (PWM) است. مدولاسیون، یا رگولاسیون عرض یک پالس موج مربعی اغلب به عنوان متودی از رگوله کردن یا تنظیم ولتاژ خروجی اینورتر است. زمانی که کنترل ولتاژ لازم نیست، یک عرض پالس ثابت می تواند برای کاهش یا خذف کردن هارمونیک مورد نظر انتخاب شود. تکنیک حذف هارمونیک معمولا روی پایین ترین هارمونیک ها ( از لحاظ فرکانسی ) به کار برده می شود چون فیلترینگ در فرکانس های بالاتر موثرتر از فرکانس های پایین است. طرح های کنترلی Multiple pulse-width یا carrier based PWM شکل موج هایی را ارائه می دهد که با پالس های کم عرض زیادی ترکیب شده اند. فرکانس به نمایندگی از تعداد پالس های باریک در ثانیه، فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر نامیده می شود. این طرح های کنترلی اغلب در اینورترهای کنترل موتورهای فرکانس متغیر استفاده می شوند زیرا رنج وسیعی از ولتاژ و فرکانس خروجی را قابل تنظیم می کنند در حین بهتر کردن کیفت شکل موج. اینورترهای چند سطحی روش دیگری را برای حذف هارمونیک ها ارائه می کنند. اینورترهای چند سطحی شکل موجی را در خروجی ایجاد می کند که چندین پله مجزا از سطوح مختلف ولتاژ را ارائه می کند. برای مثال ممکن است که چند موج سینوسی را با داشتن ورودی های جریان مستقیم در دو سطح ولتاژ یا ورودی های مثبت و منفی با زمین مرکزی ایجاد کند. با اتصال ترمینال های خروجی اینورتر به ترتیب بین مثبت و زمین، مثبت و منفی، زمین و منفی، سپس هر دو به زمین، یک شکل موج پله ای در خروجی اینورتر تولید می شود. این مثالی از اینورتر سه سطحی است: دو ولتاژ و یک زمین.
یک اینورتر الکتریسیته ی DC را از منابعی از قبیل باتری ها، پنل خورشیدی یا پیل های سوختی به الکتریسیته AC تبدیل می کند. برق تولیدی می تواند هر مقدار مورد نیاز باشد. در اصل می توان از اینورتر برای راه اندازی تجهیزات AC به عنوان کاربرد اصلی استفاده کرد یا آن را برای تهیه ولتاژ مطلوبی یکسو کرد. اینورترهای Grid tie می توانند انرژی را به شبکه ی توزیع برگشت دهند زیرا جریان متناوب را با همان شکل موج و فرکانس اعمالی به شبکه ی توزیع تهیه می کنند. همچنین می توانند در صورت تاریکی بصورت اتوماتیک خاموش شوند. میکرو اینورترها جریان مستقیم یک پنل خورشیدی را برای اعمال به شبکه الکتریکی به جریان متناوب تبدیل می کند. منبع تغذیه وقفه ناپذیر یک منبع تغذیه وقفه ناپذیر (UPS) از چند باتری و یک اینورتر برای تغذیه توان AC زمانی که منبع اصلی در دسترس نیست، استفاده می کند. موقعی که منبع اصلی به مدار بازگشت، یک یکسوساز برای شارژ مجدد باتری ها از منبع اصلی استفاده می شود. گرمکن القائی اینورترها منبع فرکانس پایین AC اصلی را به فرکانسی بالاتر برای استفاده در گرمکن القائی تبدیل می کند. سپس اینورتر منبع DC را به منبع AC فرکانس بالا تبدیل میکند. درایوهای فرکانس متغیر یک درایو فرکانس متغیر سرعت عملکرد یک موتور AC را با کنترل فرکانس و ولتاژ منبع اعمالی به موتور کنترل می کند. یک اینورتر توان کنترلی را فراهم می کند. در بسیاری از حالت ها، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است که توان DC اینورتر می تواند از توان AC اصلی تامین شود. از آنجایی که یک اینورتر مولفه کلیدی است، درایوهای فرکانس متغیر گاها درایوهای اینورتر یا فقط اینورتر نامیده می شوند. درایوهای حامل برق اینورترهای کنترل موتور با دور متغیر به طور رایج برای تغذیه موتور وسیله نقلیه در بعضی وسایل نقلیه الکتریک و دیزل-الکتریک و وسایل نقلیه برق – باطری و وسایل نقلیه هایبرید – الکتریک استفاده می شود. تکنولوژی اینورترها بویژه در ضمینه وسایل نقلیه الکتریکی توسعه یافته است. در وسایل نقلیه با اعمال ترمز، اینورتر همچنین از موتور توان می گیرد ( به عنوان یک ژنراتور ) و آن را در باطری ذخیره می کند. تهویه مطبوع یک تهویه مطبوع ساخته شده با اینورتر از یک درایو فرکانس متغیر برای کنترل سرعت موتور و کمپرسور استفاده می کند. حالت کلی یک ترانسفورمر منبع AC را به هر ولتاژ مطلوب تبدیل می کند، اما در همان فرکانس. اینورترها، به علاوه یکسوسازهای DC، می تواند برای تبدیل از هر ولتاژ، AC یا DC، به هر ولتاژ دیگر، ACیا DC، در هر فرکانس مطلوب طراحی شود. توان خروجی هرگز از توان ورودی تجاوز نمی کند، اما راندمان می تواند زیاد باشد، با یک نسبت از توان اتلافی به عنوان گرمای تلف شده.