مدار داخلی اینورتر: نحوه کارکرد یک درایو موتور یا اینورتر

امروزه اینورترها به یکی از مهم‌ترین ابزارها برای کاهش مصرف انرژی و محافظت از موتورها در صنایع تبدیل شده‌اند. این نوع از وسایل کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند و به همین دلیل در انواع مختلفی ساخته می‌شوند. در این مقاله از پینیون می‌خواهیم پوسته رویی این درایو را برداشته و بررسی کنیم که در زیر این پوسته چه فرایندی در جریان است؟ پس برای شناخت نحوه عملکرد و مدار داخلی اینورتر تا انتها با ما همراه باشید.

تشریح اجزای داخلی یک اینورتر

برای اینکه متوجه نحوه عملکرد درایور موتور یا اینورتر شوید، نیاز است که در ابتدا قسمت‌های مختلف سازنده این دستگاه را بشناسید. برای آشنایی بیشتر با اصلی‌ترین اجزای سازنده اینورتر می‌توانید بر روی لینک درج‌شده کلیک کنید. به طور کلی هر اینورتر از سه بخش اصلی  زیر تشکیل شده است:

• برد قدرت
• برد کنترلی
• برد ارتباط با کاربر

برد قدرت در اینورتر

برد قدرت اینورتر از بخش ­های متفاوتی تشکیل شده است که هرکدام از آنها وظیفه­ مخصوص به خود را در سیستم کلی انجام می­دهند. در ادامه به بررسی هرکدام از این اجزا و وظیفه آن‌ها خواهیم پرداخت. شکل زیر نیز ارتباط این اجزا با یکدیگر را نشان می­دهد.

• بخش یکسوساز سیگنال برق ورودی

این بخش از تعدادی دیود تشکیل شده است که وظیفه­ یکسوسازی سیگنال ورودی برق شهر را بر عهده دارند. در صورتی که برق ورودی به اینورتر، سه فاز باشد تعداد این دیودها شش عدد بوده و در صورتی که برق ورودی به اینورتر، تک­فاز باشد، تعداد این دیود­ها 4 عدد است. برق سینوسی شبکه پس از وارد شدن به این بلوک به صورت یکسو شده در خواهد آمد؛ ولی این سیگنال همچنان دارای ریپل است که باید توسط المان­ هایی گرفته شود. در صورتی که اینورتر از نوع ورودی سه فاز باشد، ورودی برق شبکه به این دستگاه با نام­ های R و S و T نمایش داده ­می­شود و اگر اینورتر از نوع تک­فاز باشد ورودی آن با نام­های L و N نام­گذاری می­شوند. شکل زیر این بلوک را همراه با سیگنال ورودی و خروجی آن نمایش می­دهد:

• بخش پیش شارژ خازن

این بلوک به منظور کاهش جریان لحظه­ های ورودی از پل دیود ورودی تعبیه می­شود. در واقع این بلوک با قرار دادن یک مقاوت درون مدار، از شارژ ناگهانی خازن لینک DC جلوگیری می­کند و پس از شارژ شدن خازن تا مقدار معینی، این مقاوت اتصال کوتاه می­شود تا از مدار خارج شود.

پس از جریان­کشی خازن و شارژ شدن آن توسط مسیر مقاومت، مقاومت موجود در مسیر جریان گرم می­شود که با سنس شدن دمای آن به میزان عبور جریان از آن و در نتیجه میزان شارژ شدن خازن پی برده می­شود و پس از آن در مورد در مدار بودن یا از مدار خارج شدن این مقاومت تصمیم گرفته می­شود.

• بخش خازن و صافی

این بخش از یک یا تعداد بیشتری خازن تشکیل شده که در مسیر آن نیز یک یا دو عدد سلف قرار گرفته است. مجموعه­‌ی قطعات این بخش وظیفه­‌ی صاف کردن ولتاژ یکسو شده توسط یکسوساز ورودی را بر عهده دارند. این ولتاژ به دلیل ریپلی که پس از یکسو شدن دارد، باید توسط یک فیلتر LC صاف شود تا بتواند توسط بلوک بعدی مورد استفاده قرار گیرد. شکل زیر ولتاژ ورودی و خروجی این بخش را نمایش می­دهد:

• بخش سوئیچینگ خروجی

بلوک سوئیچینگ خروجی به طور کلی از 6 عدد IGBT تشکیل شده که وظیفه­ سوئیچ کردن سیگنال DC را بر عهده دارند. خروجی این مجموعه سیگنالی از نوع PWM است که یک سیگنال سینوسی را توصیف می­کند. سیگنال PWM خروجی توسط این بلوک توسط ترمینال‌هایی با نام­ های U و V و W به موتور اعمال می­شوند. شکل زیر، شماتیک مدار و ولتاژ PWM اعمال شده به موتور را نمایش می­دهد.

در ادامه لازم به ذکر است که با تغییر دادن میزان روشن و خاموش بودن هرکدام از IGBTها است که میزان دامنه­ سینوسی خروجی تعیین می­شود. میزان فرکانس ولتاژ خروجی نیز بر اساس سیکل تکرار PWM تعیین می­شود. همچنین یکی از مشخصات مهم در این سیگنال PWM فرکانس کریر یا پالس‌های مربعی است که توسط آن این سیگنال PWM تولید می­شود. در شکل زیر نیز چند نمونه دیگر از سیگنال PWM را نمایش داده‌­ایم. در این شکل شما می­توانید فرکانس‌های سینوسی مختلف را مشاهده نمایید.

• بخش ترمز

این قسمت از یک مقاومت و یک المان سوئیچ کننده مثل IGBT تشکیل شده است. در صورتی که موتور در حال حرکت با یک سرعت مشخص باشد و ما در طول فرایند کنترلی نیاز داشته باشیم که سرعت موتور را کاهش دهیم، موتور از حالت مصرف کننده به حالت تولیدکننده­‎‌ی انرژی الکتریکی در آمده و ولتاژ روی باس DC شروع به افزایش می­کند. اگر این افزایش ولتاژ محدود نشود، منجر به خرابی خازن باس DC و بعضی قطعات دیگر مثل IGBT خواهد شد. برای جلوگیری از این مشکل نیاز داریم که افزایش ولتاژ ایجاد شده را با تلف کردن آن درون یک مقاومت موسوم به مقاومت ترمز جبران نماییم. لذا مقاومت ترمز از یک سو به باس DC و از سوی دیگر به IGBT ترمز وصل می‌شود که با سوئیچ کردن IGBT با دیوتی سایکل مشخص این مورد نیز رفع خواهد شد. شکل زیر محل قرار گیری مقاومت ترمز در مدار را نمایش می­دهد:

ساختار برد قدرت در درایورهای موتور استنسون

هرچند ساختار اصلی برد قدرت در درایورهای موتور اینورتر مختلف با هم یکسان هستند؛ اما برخی از تفاوت‌های کوچک در میان آن‌ها وجود دارند که باعث متفاوت شدن کیفیت عملکرد این دستگاه‌ها خواهند شد. پینیون هم اقدام به فروش اینورتر صنعتی دانش بنیان کرده است که می‌تواند برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار بگیرد و در عین حال ویژگی‌های رقابتی خاصی دارد. اما چه چیزی باعث منحصر به فرد شدن این اینورترهای دانش بنیان شده است؟

1) استفاده از بردهای قدرت یکپارچه یا جداگانه با توجه به توان

اینورترهایی که در گروه ما تولید می‌شوند، به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند. دسته اول درایورهایی با توان 22 کیلووات و کمتر هستند که برد قدرت یکپارچه دارند. اما با بالا رفتن توان، به دلیل اینکه برد بزرگ‌تر شده و سایز المان‌ها هم افزایش پیدا می‌کند، قسمت‌های مختلف از هم جدا شده‌اند. به این ترتیب شما می‌توانید بخش‌های جداگانه‌ای را برای  قسمت سوئیچینگ، درایور فن و IGBT مشاهده کنید.

2) استفاده از برد قدرت چند طبقه

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد اینورتر یونیک استنسون این است که از بردهای قدرت 3 طبقه در آن‌ها استفاده شده است. مزیت استفاده از این نوع بردها، این است که در صورت آسیب دیدن یک بخش، نیازی به تعویض کلی آن وجود ندارد و تنها می‌توان با عوض کردن یک طبقه، کارایی اولیه را به اینورتر برگرداند.

3) استفاده از لایه محافظ بر روی پمپ

زمانی که شما از درایو اینورتر در صنایعی مانند نساجی استفاده می‌کنید، ممکن است با مشکل سوختن برد در اثر انباشته شدن آلودگی‌ها بر روی آن مواجه شوید. همین موضوع می‌تواند تا حد زیادی هزینه‌های شما را افزایش دهد. به همین دلیل ما در پینیون، از یک لایه محافظ بر روی بردهای خود استفاده کرده‌ایم که مانع از آسیب رسیدن به قطعات اصلی برد در اثر ارتعاشات یا نفوذ گرد و غبار می‌شود.

4) استفاده از قطعات باکیفیت از بهترین برندها

یکی از ویژگی‌های اصلی در برد قدرت این درایورهای دانش بنیان برای موتور این است که قطعات سازنده آن از بهترین برندها هستند. برای مثال IGBT به کار رفته در این درایوها  از بهترین تکنولوژی ساخت بهره برده­‎‌اند. از سوی دیگر خازن‌های لینک DC هم در این درایوها، توسط برندهای معتبر جهانی ساخته شده‌اند که مقاومت سری کم و تلورانس خوبی دارند؛ به همین دلیل می‌توانند به عملکرد بهینه دستگاه و افزایش طول عمر محصول کمک کنند.

ظرفیت این خازن‌ها برای یک درایو 1.5 کیلووات 1000 تا 1500 میکرو فاراد است. این در حالی است که در برندهای مشابه، خازن‌هایی با ظرفیت 820 یا 1000 میکرو فاراد استفاده می‌شود. نصب خازن‌های DC با ظرفیت بالاتر، باعث می‌شود که کیفیت سیگنال خروجی بهبود پیدا کند. همچنین در بیشتر درایوهای موجود در بازار، حفاظت تا 800 ولت انجام می‌شود؛ این در حالی است که به دلیل استفاده از خازن‌های باکیفیت، حفاظت این درایوها تا 900  ولت هم بهبود پیدا کرده است. برای خرید اینورتر یونیک استنسون می‌توانید بر روی لینک قرار داده شده کلیک کنید.

برد ارتباط با کاربر در اینورتر

یکی دیگر از قسمت‌های مهم در مدار داخلی اینورتر، برد ارتباط با کاربر است که به شما این امکان را می‌دهد تا بتوانید دستورات خود را بر روی درایور موتور اعمال کنید. معمولا درایوها دارای یک کی پد و نمایشگر هستند که در اختیار شما قرار می‌گیرد. اما نکته مهم اینجا است که بهتر است این کی پد به صورت جداشونده بر روی اینورتر نصب شود. به این ترتیب شما می‌توانید خیلی راحت کی پد را بر روی تابلو نصب کرده و تنها با استفاده از یک کابل، آن را به inverter ارتباط دهید. این موضوع می‌تواند کنترل عملکرد دستگاه را برای اپراتور بسیار انعطاف‌پذیرتر کند.

برد کنترل در اینورتر

از دیگر قسمت‌های مهم در مدار داخلی اینورتر، می‌توان به برد کنترل اشاره کرد. این قسمت در واقع یک واسط میان قسمت ارتباط با کاربر و برد قدرت است که دارای یک تراشه و CPU است و وظیفه دریافت پارامترهای مختلف و تنظیمات عملکردی را بر عهده دارد. معمولا برای کنترل IGBT و زمان سوئیچ کردن، نیاز به دادن پالس‌هایی به قسمت گیت است. برد کنترلی جایی است که این پالس‌ها را تولید می‌کند که ویژگی‌های آن‌ها بر اساس مد های کنترلی اینورتر تعیین خواهد شد. به علاوه برد کنترل به دلیل اینکه یک پل ارتباطی میان کاربر و دیگر اجزای مدار داخلی اینورتر است، راهی برای اعمال فرامین و تنظیمات مورد نظر کاربر به شمار می‌رود.

به طور کلی برد کنترلی درایو اینورتر از 3 قسمت اصلی تشکیل شده است که از قرار زیر هستند:

• واحد پردازنده مرکزی یا CPU: این قسمت دارای یک میکروکنترلر است و با تمامی بخش‌ها در اینورتر ارتباط دارد. با استفاده از این ریزپردازنده می‌توان دور موتور را کنترل کرده و یا دستوراتی مانند چپ‌گرد و راست‌گرد بودن و زمان روشن و خامون شدن موتور را صادر کنید.
• ورودی‌ها و خروجی‌های آنالوگ یا دیجیتال: این بخش شامل یک مجموعه­ ترمینال است که می‌تواند ارتباط میان ورودی و خروجی را با میکروکنترلر برقرار کرده و ورودی‌ها را به سیگنال‌های قابل درک برای آن تبدیل کند. از سیگنال آنالوگ هم برای کنترل فرکانس خروجی یا همان سرعت موتور توسط یک پتانسیومتر می­توانید استفاده نمایید.
• شبکه مدباس: علاوه بر این شما می­توانید از اینورتر در یک شبکه­ مدباس استفاده نمایید تا فرامین کنترلی از قسمت‌های کنترلی دیگر درون یک شبکه، به اینورتر اعمال شوند. همچنین می­توانید از یک HMI برای کنترل درایو استفاده نمایید.

سخن پایانی

اینورتر یکی از پرکاربردترین وسایل کنترلی موجود در صنعت بوده و در صنایعی مانند نساجی، جرثقیل، اره نواری، تولید لوله پروفیل و پمپ و فن کاربرد دارد. این وسیله برای انجام وظایف خود مانند کنترل سرعت و گشتاور موتور یا کاهش مصرف انرژی، از اجزای مختلفی استفاده می‌کند. به همین دلیل در این مقاله به بررسی مدار داخلی اینورتر پرداختیم تا شما را با نحوه کار آن بهتر آشنا کنیم. به علاوه ویژگی‌های منحصر به فرد و رقابتی درایوها دانش بنیان استنسون را هم بررسی کردیم تا در زمان خرید اینورتر راهنمای شما باشد.

سوالات متداول

• آیا اینورترهای دانش بنیان استنسون دارای کی پد جداشونده هستند؟

بله. همه مدل‌های اینورتر تولیدشده در  شرکت استنسون به کی پد جداشونده مجهز شده‌اند که امکان کنترل بر روی تابلو را برای شما فراهم می‌کند.

• آیا شکل موج خروجی از اینورترها با هم متفاوت است؟

بله. هرچند در همه حالت‌ها می‌توان یک روند کلی سینوسی را در شکل موج خروجی از IGBT به دست آورد؛ اما اینورترها بر این اساس در چهار دسته خروجی به شکل موج مربعی، معمولی، پله‌ای و سینوسی خالص تقسیم‌بندی می‌شوند که معمول ترین آنها نوع PWM است.

• چرا باید مدار داخلی اینورتر را بشناسیم؟

شاید فکر کنید که اطلاع از مدار داخلی اینورتر و نحوه عملکرد آن، برای کسانی که در صنعت کار می‌کنند لزومی ندارد. اما باید بدانید که آگاهی از نحوه کار یک درایو به شما کمک می‌کند تا راحت‌تر بتوانید آن را راه‌اندازی کرده و ورودی و خروجی درستی را به آن متصل کنید. به علاوه در زمینه تعمیر اینورتر هم برای شما مفید خواهد بود.

• تفاوت اینورتر سبک کار و سنگین کار از نظر مدار داخلی در چیست؟

این تفاوت عمدتا از قطعات مدار قدرت ناشی­ می­شود. اگر شما از یک اینورتر سنگین کار استفاده می­نمایید، در اینورتر شما قطعاتی که برای مدار قدرت استفاده شده­اند یک رنج بالاتر از نیاز اینورتر در نظر گرفته شده‌اند.