مبدل جريان مستقيم به جريان متناوب (Inverter)

[pesare irani 41805]

چكيده :

مبدل جريان مستقيم به جريان متناوب يا اينورتر ( Inverter) به المان‌هايي اطلاق مي‌شود كه جريان مستقيم را به جريان متناوب تبديل مي‌كند. فركانس و سطح ولتاژي توليدي توسط اين قطعه الكترونيكي مي‌تواند توسط تقويت كننده‌ها به سطح ولتاژ و فركانس دلخواه تبديل گردد. موج توليدي توسط اينورترها يك موج مربعي است كه مي‌توان با استفاده از فيتلرهاي مخصوص آن را به موج سينوسي تبديل كرد. عملي كه اين مبدل‌ها انجام مي‌دهند معكوس عملي است كه يكسو كننده‌ها انجام مي‌دهند.

 

مقدمه :

اينورتر يك دستگاه الكتريكي است كه مي تواند جريان مستقيم (DC) را به جريان متناوب (AC) تبديل كند. با استفاده از ترانسفورماتورها ، سوئيچ ها و مدارات كنترل ، AC تبديل شده مي تواند هر مقدار ولتاژي و فركانسي داشته باشد. اينورترهاي استاتيك قطعات متحرك ندارند و در رنج وسيعي از كاربردها استفاده مي شوند. از منابع تغذيه سوئيچينگ در كامپيوترها تا كاربردهاي جريان مستقيم ولتاژ بالاي تاسيسات الكتريكي براي انتقال عمده توان. اينورترها معمولا براي تغذيه توان AC از منبع DC استفاده مي شود مثل پنل خورشيدي يا باتري ها. اينورترهاي الكتريكي اسيلاتورهاي الكتريكي توان بالا هستند. علت نامگذاري اين است كه قبلا براي تبديل كردن DC به AC از مبدل هاي AC به DC به صورت معكوس استفاده مي شد. اينورتر عمل مخالف تابع يكسوساز را انجام مي دهد.

 

شرح و توصيف :

 

در يك مدار اينورتر ساده ، منبع DC از طريق سر وسط سيم پيچ ورودي به يك ترانسفورمر متصل مي شود. يك كليد به سرعت بين سيم پيچ هاي بالا و پايين سوئيچ مي شود تا جريان منبع DC به صورت متناوب از طريق يك سر سيم پيچ اوليه و سپس از ديگري جاري شود. تناوب جريان در سيم پيچ اوليه ترانسفورمر در سيم پيچ ثانويه جريان متناوب (AC) توليد مي كند.

نوع الكترومكانيكي تجهيزات سوئيچينگ شامل دو اتصال ثابت و يك اتصال متحرك با نگهدارنده فنري است. فنر اتصال متحرك را خلاف جهت يكي از اتصالات ثابت نگه مي دارد و يك آهنرباي مغناطيسي اتصال متحرك را به سمت اتصال ثابت مخالف مي كشد. جريان آهنرباي مغناطيسي با عمل سوئيچ قطع مي شود. به طوري كه كليد دائما و به سرعت بين سيم پيچ هاي بالا و پايين سوئيچ مي شود. اين نوع كليد اينورتر الكترومغناطيسي ، ويبراتور يا بيزر ناميده مي شود ، كه قبلا در راديوهاي لامپي اتومبيل استفاده مي شد. مكانيزمي مشابه در زنگ درها ، بيزرها و سرنگ خالكوبي استفاه شده است. هنگامي كه آنها در حال در دسترس بودن با توان نامي مناسب بودند ، ترانزيستورها و انواع مختلف ديگر سوئيچ هاي نيمه هادي در طراحي مدارات اينورتر وارد شدند.

 

شكل موج خروجي :

كليد در اينورتر ساده ي توضيح داده شده در بالا يك شكل موج ولتاژ مربعي توليد مي كند. در عوض موج سينوسي كه شكل موج متداول منبع تغذيه AC است. با استفاده از تحليل فوريه ، شكل موج متناوب متشكل از مجموعي از بي نهايت سري از موج هاي سينوسي است. موج سينوسي كه همان فركانس را دارد به عنوان شكل موج اصلي ، مولفه ي اصلي ناميده مي شود. شكل موج هاي سينوسي ديگر ، هارمونيك ناميده مي شوند ، كه شامل يك سري با مضارب صحيح فركانس اصلي هستند. كيفيت شكل موج خروجي اينورتر مي تواند براي محاسبه اعوجاج هارمونيكي كل (THD) با استفاده از اطلاعات آناليز فوريه بيان شود. اعوجاج هارمونيكي كل جذر مجموع مربعات ولتاژ هارمونيك ها تقسيم بر ولتاژ اصلي است.

كيفيت شكل موج خروجي كه از يك اينورتر مد نظر است به مشخصات مصرف كننده وابسته است. بعضي مصرف كننده ها براي كاركرد صحيح به منبع ولتاژ تقريبا سينوسي كامل نياز دارند. مصرف كننده هاي ديگر ممكن است با ولتاژ مربعي خيلي خوب كار كنند.

طراحي هاي پيشرفته :

پيكره بندي هاي مختلفي براي مدارات قدرت وجود دارد و راه حل هاي مختلفي در طراحي اينورتر استفاده مي شود. روش هاي مختلف طراحي كه ممكن است كما بيش اهميت داشته باشد ، به اين كه اينورتر براي چه مقصودي طراحي شده است ، بستگي دارد. برامد كيفيت شكل موج به روش هاي زيادي مي تواند مرتب شود. خازن ها و سلف ها مي توانند براي ***** كردن شكل موج استفاده شوند. اگر طراحي شامل يك ترانسفورمر باشد ، ***** مي تواند به اوليه يا ثانويه ترانسفورمر يا به هر دو سمت آن اعمال شود. ***** پايين گذر براي اجازه عبور دادن به مولفه اصلي شكل موج به خروجي در حين محدود كردن عبور مولفه هاي هارمونيك به كار برده مي شود. اگر اينورتر براي تامين انرژي در فركانس ثابت طراحي شده است ، يك ***** تشديد مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. براي يك اينورتر فركانس متغير ، ***** بايد براي فركانسي تنظيم شود كه بالاتر از حداكثر فركانس مولفه اصلي باشد . از آنجايي كه اكثر مصرف كننده ها شامل سلف هستند ، يكسوسازهاي فيدبك يا ديود هاي موازي-معكوس اغلب به دو سر هر يك از سوئيچ هاي نيمه هادي متصل مي شود تا مسيري براي پيك جريان بار القائي موقع قطع سوئيچ ايجاد كند. ديودهاي موازي-معكوس تا حدي شبيه ديودهاي هرزگرد استفاده شده در مدارات مبدل هاي AC/DC هستند. تحليل فوريه نشان مي دهد كه يك شكل موج ، مثل موج مربعي ، كه حدودا در نقطه180 درجه غير متقارن هستند ، فقط شامل هارمونيك هاي فرد هستند ، سوم ، پنجم ، هفتم و الي آخر. شكل موج هايي كه پله هايي با عرض هاي معين و سعود و نزول محو دارند ، هارمونيك هاي اضافي را حذف مي كنند. براي مثال با اضافه كردن يك پله صفر ولت بين قسمت هاي مثبت و منفي موج مربعي ، همه ي هارمونيك هايي كه بر 3 بخش پذير هستند ، حذف مي شوند و فقط هامونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و ... باقي مي ماند. عرض مورد نياز براي پله ها يك سوم پريود هر پله مثبت يا منفي و يك ششم پريود هر پله صفر ولت است. تغيير موج مربعي توضيح داده شده در بالا يك مثال از مدولاسيون پهناي باند (PWM) است. مدولاسيون ، يا رگولاسيون عرض يك پالس موج مربعي اغلب به عنوان متودي از رگوله كردن يا تنظيم ولتاژ خروجي اينورتر است. زماني كه كنترل ولتاژ لازم نيست ، يك عرض پالس ثابت مي تواند براي كاهش يا خذف كردن هارمونيك مورد نظر انتخاب شود. تكنيك حذف هارمونيك معمولا روي پايين ترين هارمونيك ها ( از لحاظ فركانسي ) به كار برده مي شود چون *****ينگ در فركانس هاي بالاتر موثرتر از فركانس هاي پايين است. طرح هاي كنترلي Multiple pulse-width يا carrier based PWM شكل موج هايي را ارائه مي دهد كه با پالس هاي كم عرض زيادي تركيب شده اند. فركانس به نمايندگي از تعداد پالس هاي باريك در ثانيه ، فركانس سوئيچينگ يا فركانس كرير ناميده مي شود. اين طرح هاي كنترلي اغلب در اينورترهاي كنترل موتورهاي فركانس متغير استفاده مي شوند زيرا رنج وسيعي از ولتاژ و فركانس خروجي را قابل تنظيم مي كنند در حين بهتر كردن كيفت شكل موج. اينورترهاي چند سطحي روش ديگري را براي حذف هارمونيك ها ارائه مي كنند. اينورترهاي چند سطحي شكل موجي را در خروجي ايجاد مي كند كه چندين پله مجزا از سطوح مختلف ولتاژ را ارائه مي كند. براي مثال ممكن است كه چند موج سينوسي را با داشتن ورودي هاي جريان مستقيم در دو سطح ولتاژ يا ورودي هاي مثبت و منفي با زمين مركزي ايجاد كند. با اتصال ترمينال هاي خروجي اينورتر به ترتيب بين مثبت و زمين ، مثبت و منفي ، زمين و منفي ، سپس هر دو به زمين ، يك شكل موج پله اي در خروجي اينورتر توليد مي شود. اين مثالي از اينورتر سه سطحي است : دو ولتاژ و يك زمين.