با توجه به گسترش ناگهانی ماشین‌های الکتریکی و تکنولوژی‌های انرژی تجدیدپذیر، اینورترها نقشی اساسی در دنیای تکنولوژیکی مدرن به دست آورده‌اند.
اینورتر برق چیست و یک دستگاه اینورتر چطور کار می‌کند؟ (متن زیرنویس ویدیو در زیر نوشته شده است)
اینورترها، توان DC را به توان AC تبدیل می‌کنند، همچنین از آن‌ها در منابع توان بدون وقفه، کنترل ماشین‌های الکتریکی و فیلتر قدرت فعال نیز استفاده می‌شود. در این ویدیو نحوه‌ی تولید خروجی توان الکتریکی سینوسی از ورودی توان DC را به صورت مرحله به مرحله و شیوه‌ی منطقی توضیح خواهیم داد.
یک جریان متناوب به صورت دوره‌ای، جهت آن را معکوس خواهد ساخت به همین دلیل، مقدار متوسط یک جریان متناوب در یک چرخه صفر خواهد بود. قبل از اینکه به تولید موج سینوسی بپردازیم ببینیم که یک جریان متناوب موج مربعی چگونه به وجود می‌آید.
در حقیقت اینورترهای قدیمی امواج مربعی ساده را به عنوان خروجی تولید می‌کردند، می‌شود با استفاده از چهار سوییچ و یک ولتاژ ورودی، یک مدار جالب ساخت. این مدار، با نام اینورتر پلی کامل معروف است که خروجی آن میان دو نقطه‌ی A و B کشیده می‌شود.
برای اینکه بررسی این مدار آسان‌تر شود، یک بار فرضی را جایگزین این بار حقیقی می‌کنیم. فقط توجه داشته باشید که وقتی سوییچ‌های S1 و S4 روشن و سوییچ‌های S2 و S3 خاموش باشند، جریان به گردش می‌افتد.
حالا این حرکت را معکوس کرده و گردش جریان را بررسی کنید. مشخص است که گردش جریان و همچنین ولتاژ خروجی در سراسر بار معکوس است.
این یک تکنیک ساده برای تولید جریان متناوب موج مربعی است. همه‌ی ما می‌دانیم که فرکانس منبع AC در خانه‌های ما ۶۰ هرتز است. این یعنی ما باید سوییچ را ۱۲۰ بار در ثانیه روشن و خاموش کنیم، که نه به صورت دستی و نه با سوییچ‌های مکانیکی، امکان‌پذیر نخواهد بود.
ما سوییچ‌های نیمه‌رسانای MOSFET را برای این منظور پیشنهاد می‌کنیم، آن‌ها می‌توانند هزاران بار در ثانیه، خاموش و روشن شوند. با کمک سیگنال‌های کنترلی می‌توانیم ترانزیستورها را به آسانی روشن و خاموش کنیم.
خروجی موج مربعی، به خروجی‌های سینوسی که اینورترهای قدیمی تولید می‌کردند، شباهت بسیار زیادی دارد. به همین دلیل است که وقتی پنکه‌برقی یا لوازم دیگری که از توان موج مربعی استفاده می‌کنند، روشن هستند، صدای وز وز می‌شنوید. آن‌ها تجهیزات الکتریکی را نیز گرم می‌کنند.
اینورترهای مدرن خروجی سینوسی خالص تولید می‌کنند. تکنیکی به اسم مدولاسیون پهنای پالس برای این هدف مورد استفاده قرار می‌گیرد. منطق مدولاسیون پهنای پالس ساده است. ولتاژ DC را به شکل پالس‌هایی با پهنای متفاوت تولید می‌کند، در مناطقی که به نوسان بیش‌تری نیاز دارید پالس‌هایی با پهنای بیشتر تولید می‌کند. پالس‌های موج سینوسی به این شکل است.
حالا به قسمت پیچیده‌تر می‌رسیم. اگر میانگین این پالس‌ها را در یک مدت زمانی کوتاه به دست آوریم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ حتما زمانی که ببینید شکل پالس‌های میانگین شباهت بسیار زیادی به منحنی سینوسی شباهت دارد، شگفت‌زده خواهید شد.
هر چه پالسی که استفاده شده بهتر باشد شکل منحنی سینوسی نیز بهتر خواهد شد. حالا پرسش اصلی این است که این پالس‌ها را چطور ایجاد کنیم و به بهترین آن‌ها را شکل میانگین‌گیری کنیم؟
ببینیم که آن‌ها در یک اینورتر واقعی، چگونه به کار گرفته می‌شوند. مقایسه‌گرها به این منظور به کار می‌روند. مقایسه‌گرها یک موج سینوسی را با موج‌های مثلثی مقایسه می‌کنند، یک مقایسه‌گر از یک موج سینوسی عادی و مقایسه‌گر بعدی از یک موج سینوسی وارونه استفاده می‌کند.
مقایسه‌گر اول سوییچ‌های S1 و S2 را کنترل کرده و مقایسه‌گر دوم، سوییچ‌های S3 و S4 را کنترل می‌نماید. سوییچ‌های s1 و s2 سطح ولتاژ را در نقطه‌ی A مشخص کرده و دو سوییچ دیگر، سطح ولتاژ در نقطه‌ی B را تعیین می‌کنند.
ویدیو مرتبط: اینورترها چگونه کار می‌کنند؟
مشاهده می‌کنید که یکی از شاخه‌های خروجی مقایسه‌گر با دریچه‌ی not منطقی منطبق شده‌است. این باعث می‌شود که وقتی S1 روشن است S2 خاموش باشد و برعکس. همچنین به این معنی است که هیچ‌وقت نمی‌توانیم S1 و S2 را به طور همزمان روشن کنیم که باعث تبدیل مدار DC به مدار کوتاه می‌شود.
روشن کردن S1 در نقطه‌ی a ولتاژ سلولی به وجود آورده و روشن کردن S2 در همان نقطه، هیچ ولتاژی ایجاد نخواهد کرد. در نقطه‌ی b نیز این قضیه صادق است. منطق سوییچینگ PWM بسیار ساده است. زمانی که مقدار موج سینوسی بیشتر از موج مثلثی باشد مقایسه‌گر یک سیگنال تولید می‌کند، در غیر اینصورت سیگنالی به وجود نخواهد آمد.
حالا تغییرات ولتاژ در مقایسه‌گر اول را طبق این منطق مشاهده کنید. سیگنال کنترلی یکی اولی، MOSFET را روشن می‌کند، پالس‌های ولتاژ تولید شده در نقطه‌ی a را مشاهده می‌کنید. همین منطق سوییچینگ را اعمال کنید و پالس‌های ولتاژ تولید شده در نقطه‌ی b را بررسی کنید.
از آنجایی که ولتاژ خروجی را بین نقطه‌ی a و b می‌بریم، ولتاژ خالص، تفاوت بین a و b خواهد بود. این دقیقا همان قطار پالسی است که برای تولید این موج سینوسی نیاز خواهیم داشت. هر چه موج مثلثی بهتر باشد، قطار پالس دقیق‌تر خواهد بود.
حال پرسش بعدی این است که چطور میانگین‌گیری را دقیق‌تر انجام دهیم؟ برای اینکه دقیقا سینوسی باشد، عناصر ذخیره‌ی انرژی مثل القاگرها و خازن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند تا جریان توان را یکدست سازند. به آن‌ها فیلترهای غیرفعال گفته می‌شود.
از القاگرها برای یکدست کردن جریان و از خازن‌ها به منظور یکدست کردن ولتاژ استفاده می‌شود. با استفاده از یک پل اینورتری، تکنیک PWM و یک فیلتر غیرفعال می‌توانید ولتاژ سینوسی تولید کنید و بدون هیچ سر و صدایی تمامی لوازم برقی خود را راه‌اندازی کنید.
تکنولوژی اینورتری که در مورد آن صحبت کردیم تنها دو سطح ولتاژ دارد. اگر یک سطح ولتاژ دیگر اضافه کنیم چه اتفاقی خواهد افتاد؟ موج سینوسی تولید شده دقیق‌تر خواهد بود و خطاهای آنی نیز کاهش می‌یابند، این تکنولوژی اینورتر چند سطحی در تجهیزاتی با دقت بسیار بالا، مثل توربین‌های بادی و ماشین‌های الکتریکی به کار می‌روند.
اینورترهای به کار رفته در ماشین‌های الکتریکی، دارای فرکانس هوشمند و کنترل نوسان هستند. در حقیقت فرکانس سرعت ماشین را کنترل کرده و نوسان توان آن را کنترل می‌کند، به این ترتیب اینورترها با تولید توان الکتریکی مناسب برای شرایط رانندگی، به عنوان مغز ماشین عمل می‌کنند.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع ویدیو: YouTube
