اینورتر

همانطور که می دانیم وظیفه اینوتر تبدیل dc به ac می باشد که این کار هم در فرکانس ثابت و هم در فرکانس متغیر صورت می گیرد . ولتاژ خروجی می تواند در یک فرکانس متغیر یا ثابت دارای دامنه متغیر یا ثابت باشد که ولتاژ خروجی متغیر می تواند با تغییر ولتاژ ورودی dc و ثابت نگهداشتن ضریب تقویت اینوتر بدست آید . از سوی دیگر اگر ولتاژ ورودی dc ثابت و غیرقابل کنترل باشد
می توان برای داشتن یک ولتاژ خروجی متغیر از تغییر ضریب تقویت اینوتر که معمولاً با کنترل مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) در اینورتر انجام می شود استفاده کرد. ضریب تقویت اینوتر عبارت است از نسبت دامنه ولتاژ ac خروجی به dc ورودی .

اینوترها به دو دسته تقسیم می شوند : 1) اینوترهای تک فاز و 2) اینورترهای سه فاز . که خود آنها نیز بسته به نوع کموتاسیون تریستورها به چهار قسمت تقسیم می شوند . الف. اینوتر با مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) ، ب. اینوتر با مدار تشدید ، پ. اینوتر با کموتاسیون کمکی ، ت. اینوتر با کموتاسیون تکمیلی . که اگر ولتاژ ورودی اینوتر ، ثابت باشد ، اینوتر با تغذیه ولتاژ ( VSI ) و اگر ورودی ثابت باشد ، آن را اینوتر با تغذیه جریان ( CSI ) می نامند .

از بین اینورترهای تکفاز دو نوع معروف به نام اینوتر تکفاز با سر وسط و اینوتر پل تکفاز می باشد که در اینجا به اختصار نوع پل تکفاز آن را بررسی کرده و سپس راجع به اینوترهای سه فاز توضیح خواهیم داد .

1-1 ) اینوترپل تکفاز

در این نوع اینوتر همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است با آتش شدن تریستور مکمل T₄ تریستور T₁ خاموش می گردد . اگر بار سلفی باشد جریان بار بلافاصله معکوس نمی شود و لذا وقتی کموتاسیون کامل شد تریستور T₄ خاموش می شود و جریان بار به دیود D₄ منتقل می شود . فرمان کموتاسیون نسبت به زمان فرکانس بار اینوتر خیلی کوتاه می باشد . در اینجا ما کموتاسیون را ایده آل فرض می کنیم .

شکل 1- مدار اینوترپل تکفاز

حال اگر بار مقاومتی خالص باشد روشن کردن متناوب T₁T₂ و T₃T₄ باعث می شود که یک شکل موج مربعی دو سر بار قرار گیرد هر چند در حالت بار سلفی شکل موج جریان تأخیر دارد ولی مربعی می باشد . این شکل موج مربعی در شکل 2- الف نشان داده شده است . تریستور با استفاده از یک قطار پالس که به صورت 180o به آن اعمال می شود روشن می شود . به وسیله انتهای نیم پریود مثبت معلوم می شود که جریان بار مثبت بوده و به صورت نمایی افزایش می یابد . وقتی که تریستور T₁ و T₂ خاموش می شوند تریستورهای T₃ و T₄ روشن شده و ولتاژ بار معکوس می گردد ولی جریان بار تغییر نمی کند و مسیر جریان بار دیودهای D₃ و D₄ می باشند که منبع dc را به دو سر بار وصل می کنند و ولتاژ معکوس شده و انرژی تا زمانی که جریان به صفر برسد از بار به منبع منتقل می شود از آنجایی که در لحظه صفر شدن بار جریان تریستورها نیاز به تحریک ( آتش شدن ) مجدد دارند لذا یک قطار پالس آتش نیاز است تا هر لحظه که جریان صفر شد بلافاصله تریستورهای بعدی را روشن کند .

می توان ولتاژ خروجی را به صورت شکل موج مربعی با پریود صفر نیز درست کرد . همانطور که در شکل 2- ب نشان داده شده این نوع شکل موج را می توان با جلو بردن زاویه آتش تریستورهای مکمل T₁T₄ نسبت به تریستورهای T₂T₃ درست کرد همانطور که از شکل دیده می شود قطار پالس آتش تریستور T₁ و T₄ به اندازه f درجه عقب تر از قطار پالس تریستور T₂ و T₃ می باشد . در شکل 2- ب فرض کنیم با خاموش شدن تریستور T₁ ، تریستور T₄ روشن شود ، جریان بار به دیود D₄ منتقل می شود اما از آنجاییکه تریستور T₂ هنوز روشن است جریان بار در مسیر D₄ و T₂ جاری می شود ، بار اتصال کوتاه شده و ولتاژ بار صفر می شود . وقتی که تریستور T₂ خاموش و تریستور T₃ روشن می شود تنها مسیر جریان بار دیود D₃ می باشد و منبع dc در جهت منفی به بار متصل می شود و تریستورهای T₃ و T₄ بلافاصله بعد از صفر شدن جریان بار هدایت می کند لذا شکل جریان تریستور و دیود متفاوت می شود .

1-2 ) اینوتر تکفاز PWM

اینوتر کنترل شده جهت تولید شکل موج مدوله شده عرض پالس دارای شکل موجی مطابق شکل 3 می باشد . همانطور که از شکل دیده می شود دراین روش سعی شده است که در نقاط نزدیک پیک پریود روشن بودن طولانی تر باشد این روش را کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) می نامند . دراین روش ها مونیکهای مرتبه پایین در شکل موج مدوله شده پهای پالسی خیلی کمتراز شکل موجهای دیگراست .

با توجه به شکل 3 ملاحظه می کنید که در برخی از فواصل ولتاژ اعمال شده به مدار مصرف باید صفر باشد که عملی کردن آن به این صورت است که در طی این فواصل یا تریستورهای T₁ و T₃ بطور همزمان روشن هستند و یا تریستورهای T₂ و T₄ . به هر حال ، خروج دیود و تریستور که به صورت سری با بار قرار می گیرند باعث اتصال کوتاه شدن بار می شوند . در این روش باید توجه شود که در هر سیکل تعداد کموتاسیون ، حداقل بوده و نیز تریستورها به صورت قرینه روشن شوند .

برای تولید یک شکل موج همانند شکل 3 نیازمند اعمال کموتاسیونهای زیادی درهر سیکل هستیم از آنجایی که در انتها و ابتدای هر سیکل ، باید دو سر بار اتصال کوتاه شده و ولتاژش صفر شود لذا باید یک تریستور در ابتدا و انتهای سیکل قطع شود که این عمل تلفات ناشی از کموتاسیون را افزایش می دهد . اما برای کاهش این تلفات باید مقدار کموتاسیون درهر سیکل کاهش یابد که این کاهش تعداد کموتاسیون به صورت زیر می باشد که در انتهای هر پالس تنها یکی از دو تریستور هادی جریان قطع گردد و هیچ تریستور دیگری به منظور اتصال کوتاه کردن دو سر بار روشن نگردد . و در شروع پالس بعدی ، آن تریستوری که در انتهای پالس قبلی خاموش شده بود بار دیگر روشن گردد .

2- اینورترهای سه فاز

در کاربردهای با توان بالا ( یا سایر جاهایی که به سه فاز نیاز باشد ) از اینورترهای سه فاز استفاده می شود . اینوتر سه فاز را می توان با اتصال موازی سه اینورتر تکفاز پل درست کرد و همچنین باید توجه داشت که جریان گیت آنها باید با هم 120o اختلاف فاز داشته باشد تا ولتاژهای سه فاز متقارن ایجاد گردد . برای حذف هارمونیکهای مضرب سه در ولتاژ خروجی می توان از یک تراشی درخروجی اینوتر استفاده کرده و اتصال ثانویه آن را ستاره می بندد و بار را نیز یا مثلث یا ستاره بست . مطابق شکل 4 که یک مدار اینوتر سه فاز را نشان می دهد شامل 6 تریستور ، 6 دیود و منبع تغذیه می باشد .

این اینوترها دارای ساختمان کلی مطابق شکل 4 بوده و براساس نحوه سیگنال فرمان به دو دسته تقسیم می شوند . 1- در هر لحظه دو تریستور هدایت می کند . 2- در هر لحظه سه تریستور هدایت می کند .

با وجود این دو روش سیگنال فرمان گیت ها باید به گونه ای باشد که در هر فاصله 60o ، به گیت وصل یا از آن قطع شود و همچنین اینوترها نیز به گونه ای طراحی شده اند که هر کدام بتوانند 180o هدایت کنند . و همچنین اگر باری که توسط اینورتر تغذیه می شود سلفی باشد جریان بار در هر فاز نسبت به ولتاژ پس فاز می شود .

1- روش اول : در این روش در هر لحظه دو تریستور هدایت می کند چون کلاً 6 تریستور داریم جمعاً 120*6=720o هدایت داریم و در هر 360o تعداد تریستورهایی که هدایت می کنند برابر است با :

یعنی در هر لحظه دو تریستور به صورت همزمان هدایت می کنند که یکی از تریستورها جریان را به بار می برد و دیگری نیز جریان را از بار برمی گرداند . مطابق شکل 5 ملاحظه می شود که با قطع شدن جریان گیت ig₁ ، جریا گیت ig₄ وصل می شود در عمل باید یک زمان کافی برای خاموش شدن تریستور T₁ باشد از انجا که پس از قطع ig₁ ، جریان گیت ig₄ عمل می کند لذا تریستور T₁ زمان کافی برای خاموش شدن خود ندارد و لذا هنگام اعمال تریستور T₄ و قطع شدن T₁ منبع توسط آنها اتصال کوتاه می شوند هر چند که اگر زمان کافی برای خاموش شدن تریستور T₁ در نظر گرفته شود و لیکن کموتاسیون به خوبی صورت نگیرد باز هم یک اتصال کوتاه مخرب در منبع تغذیه رخ می دهد . که این یکی از عیبهای روش دوم است . با استفاده از روش دو تریستوری خطر اتصال کوتاه شدید منبع را می توان حل کرد در این حالت یک فاصله زمانی 60o بین ابتدای پالس فرمان یک تریستور و انتهای پالس فرمان مربوط به تریستور دیگری که با آن سری شده است وجود دارد که این خود مدت زمان بیشتری را برای خاموش شدن تریستور اول فراهم می کند علاوه بر این اگر هر گونه تأخیر در قطع شدن تریستور T₁ ، به هر علت ناشی از عیبهای مختلف تنها منجر می گردد جریان بار دو مسیر جهت عبور داشته باشد که این عمل می تواند موجب نامتعادلی جریان بار شود و هرگز اتصال کوتاه شدید منبع تغذیه را در بر نخواهد داشت .

a ترتیب کلیدزنی را نشان می دهد . (b شکل موجها

در این وضعیت هر 6 فرمان قطع در هر پریود لازم خواهد بود پس در این حالت سیگنال فرمان هم هر سیکل را می تواند به 6 فاصله زمانی مطابق شکل 5-b تقسیم بندی کند . از آنجا که در هر تریستور با اتمام سیگنال فرمانش قطع می شود پس در حالتی که بار غیراهمی باشد پتانسیل تنها دو ترمینال خروجی اینورتر در هر لحظه قابل بیان است .

روش دوم : در این روش در هر لحظه سه تریستور هدایت می کند . روندی که در این روش برای سیگنال های فرمان در نظر گرفته می شود بدین صورت است که در این حالت هر تریستور فاصله 180o را هدایت می کند و چون کلاً 6 کلید داریم لذا کل هدایت می شود :

6 * 180o = 1080o

که باز هم مثل روش قبل اگر آنرا بر 360o تقسیم کنیم معلوم می شود که درهر لحظه کلید باید وصل شود که در این حالت یک یا دو کلید جریان را به بار می برند و دو یا یک کلید جریان را از بار برمی گرداند . ترتیبی که در این حالت برای سیگنالهای فرمان در نظر گرفته می شود در شکل 6 نشان داده شده است . که در آن سه تریستور به طور همزمان در حال هدایت جریان می باشند .

به راحتی می توان پتانسیل ترمینالهای خروجی اینوتر را درهر یک از فواصل زمانی این سیگنالهای فرمان تعیین نموده و از آنجا ولتاژهای خط خروجی را معین نمود . در این حالت یک گروه ولتاژ متناوب سه فاز متعادل خواهیم داشت . به طوریکه این ولتاژها تحت تأثیر شرایط بار مصرف واقع نمی شوند و مجزا از متعادل یا نامتعادل بودن و یا خطی یا غیرخطی بودن بار عمل می کنند . اگر بار مصرفی خطی بوده و دارای اتصال مثلث باشد جریان شاخه ها را می توان با استفاده از ولتاژ حساب کرد اگر بار خطی بوده و اتصال آن نیز ستاره باشد در اینصورت با استفاده از روش جمع آثار می توان جریان شاخه های بار و ولتاژ فازی بار را بدست آورد .

در پایان هر یک از فواصل مشخص شده در شکل 6-b مربوط به ولتاژ خطی ، سیگنال فرمان از روی گیت یک تریستور برداشته می شود که در اکثر شرایط بار ، می بایست قطع اجباری در مورد آن صورت پذیرد . پس در هر پریود 6 مرتبه عمل قطع اجباری باید انجام شود . فرمان گیت کلیدها در شکل داده شده دیده می شود که در اول T₆-T₁ ، در دوم سیکل T₁-T₂ و به همین ترتیب T₂-T₃ ، T₃-T₄ ، T₄-T₅ ، T₅-T₆ هدایت می کنند . یکی از شکل موجها را رسم می کنیم و سپس بقیه شکل موجها به همین روش مشخص می شوند .

- بررسی شکل موج ولتاژ در ابتدای سیکل کلیدهای 1 و 6 فرمان دادند پس مدار به صورت شکل 7 در می آید و داریم :

با یک بار اهمی ، تنها تریستورها هادی جریان بوده و بنابراین از دید تئوری می توان دیودها را حذف نمود بدون آنکه در عملکرد مدار خللی وارد آید .

اما در ادامه در دوم سیکل کلیدهای 1 و 2 وصل شده و داریم :

و در سوم سیکل کلیدهای 2 و 3 وصل شده و داریم :

در چهارم سیکل کلیدهای 3 و 4 وصل و در سیکل پنجم نیرو کلیدهای 4 و 5 وصل شده و داریم :

و در پایانی سیکل کلیدهای 5 و 6 وصل شده و داریم :

V_b و V_c نیز مشابه V_an ولی با 120o اختلاف فاز خواهند بود .

3- اینورتر با تشدید سری

اینورترهای تشدید سری براساس نوسان جریان تشدید کار می کنند . عناصر کموتاسیون و کلیدزنی ، با بار سری شده و یک مدار با میرایی ضعیف را تشکیل می دهد . به علت مشخصه طبیعی مدار ، جریان عناصر کلیدزنی صفر می شود . اگر عنصر قطع و وصل یک تریستور باشد ، مدار را خود کموتاسیون می گویند . این نوع اینورتر ، شکل موج تقریباً سینوسی با فرکانس زیاد از 200 Hz تا 100 KHz تولید می کند و عموماً برای قدرت های نسبتاً ثابت ( مثل کوره ها القائی ، مولد اولتراسونیک ، لامپهای فلورسنت و یا امواج رادار زیر آبی ) به کار می رود . به علت فرکانس بالای قطع و وصل ، اندازه عناصر کموتاسیون کوچک است .

4- اینورترهای منبع جریان :

در بخش قبلی دیدیم که اینورترها از یک منبع ولتاژ تغذیه می شوند و جریان بار باید از مثبت به منفی و برعکس نوسان می کند . برای بارهای سلفی ، لازم است که دیودهای هرزگرد همراه المانهای قدرت باشند در صورتیکه در یک اینورتر منبع جریان ، ورودی یک منبع جریان است ، جریان خروجی بدون توجه به بار اینورتر ، ثابت نگهداشته شده لیکن ولتاژ خروجی ، مجبور به تغییر می شود . در عمل اینورتر جریان ثابت از یک منبع dc با اندوکتانس بزرگ تغذیه می شود . تغییری که در ولتاژ اینورتر رخ می دهد برابر است با : و چون کوچک است بنابراین در پریودهای کوچک سطح جریان منبع تغذیه تقریباً ثابت باقی می ماند .

در اینورتر منبع جریان ، مدارات کموتاسیون تنها به خازن نیاز داشته و ساده تر هستند . ( شکل 8 را ببینید )

فرض کنید که T₁ و T₂ در حال هدایت بوده و خازنهای C₁ و C₂ با پلاریته ای شارژ شوند به گونه ای که صفحه سمت چپ آنها مثبت گردد . با آتش شدن تریستورهای T₃ و T₄ ، تریستورهای T₁ و T₂ به صورت معکوس با یاس می شوند . پس T₁ و T₂ خاموش می شوند . اکنون جریان از مسیر T₃C₁D₁ ، بار و D₂C₂T₄ عبور می کنند . خازنهای C₁ و C₂ تخلیه شده و با سرعت ثابتی که توسط جریان بار تعیین می شود دوباره شارژ می شوند . وقتی جریان C₁ و C₂ صفر می شود ، جریان بار از دیود D₁ به D₃ و از دیود D₂ به دیود D₄ منتقل می شود . D₁ و D₂ زمانی که جریان بار کاملاً معکوس شود قطع می شوند . اگر تریستورهای T₁ و T₂ در نیم سیکل بعدی آتش شوند خازن ها ، تریستورهای T₃ و T₄ را خاموش می کنند . زمان کموتاسیون بستگی به جریان و ولتاژ بار دارد . دیودهای نشان داده شده در شکل در واقع خازنها را از ولتاژ بار ، ایزوله می کنند . نمونه ای از کاربرد این اینورتر تغذیه موتور القایی می باشد . برای یک پریود طولانی ، سطح جریان براساس نیاز بار تغییر خواهد کرد و در شرایط حالت دائمی به سطح ولتاژ منبع بستگی دارد .