مروری بر تاریخچه و عملکرد اینورتر

یکی از مهم‌ترین نبردهای قرن نوزدهم، نه مربوط به زمین و نه منابع بود بلکه برای تصمیم‌گیری نوع برق برای ورود به ساختمان‌ها بود. در اواخر دهه ۱۸۰۰، دانشمند پیشگام برق آمریکا، توماس ادیسون (۱۹۳۱ – ۱۸۴۷) خواست نشان دهد جریان مستقیم (DC) راهی بهتر برای تأمین انرژی الکتریکی از جریان متناوب (AC) است، سیستمی که از آن حمایت می‌شد. رقیب نامدار وی، نیکولا تسلا (۱۹۱۹-۱۹۴۶) بود. ادیسون انواع و اقسام روش‌های شیطانی را برای متقاعد کردن مردم مبنی بر اینکه AC بیش از حد خطرناک است به کار برد، از برق گرفتن یک فیل گرفته تا حمایت از استفاده از برق AC در صندلی برقی برای اجرای مجازات اعدام. با این وجود، سیستم تسلا در نهایت پیروز شد و جهان از آن زمان تاکنون تقریباً روی قدرت AC کار کرده است. مشکل این است که اگرچه بسیاری از وسایل ما برای کار با AC طراحی‌شده‌اند، اما ژنراتورهای برق در مقیاس کوچک اغلب DC تولید می‌کنند. این بدان معناست که اگر می‌خواهید از دستگاهی با مصرف برق متناوب استفاده کنید به دستگاهی نیاز دارید که همان طور که گفته می‌شود، DC را به AC تبدیل کند. بیایید نگاهی دقیق تر به این وسایل بیاندازیم و بدانیم که چطور کار می‌کنند

 تفاوت بین برق DC و AC چیست؟

هنگامی که معلمان علوم ایده اصلی برق را به عنوان یک جریان الکترون برای ما توضیح می‌دهند، آن‌ها معمولاً در مورد جریان مستقیم (DC) صحبت می‌کنند. ما می‌آموزیم که الکترون‌ها کمی مانند مورچه‌ها کار می‌کنند. این قیاس برای چیزی مانند چراغ‌قوه بسیار ایده‌ال است، جایی که ما یک مدار (یک حلقه الکتریکی بدون شکست) داریم که یک باتری، لامپ و یک سوئیچ را وصل می‌کند و انرژی الکتریکی به طور سامانمند از باتری به لامپ منتقل می‌شود تا تمام انرژی باتری تخلیه شود در لوازم خانگی بزرگ‌تر، برق به روش دیگری عمل می‌کند. منبع تغذیه‌ای که از پریز برق در دیواره شما تامین می‌شود، بر اساس جریان متناوب (AC) است، جایی که برق جهت حرکت در

هر ثانیه در حدود ۵۰-۶۰ بار (به عبارت دیگر، با فرکانس ۵۰-۶۰ هرتز) تغییر می‌کند. درک این مسئله که AC چگونه انرژی می‌دهد وقتی دائماً نظر خود را در مورد مکان رفتن تغییر می‌دهد، دشوار است جواب در واقع بسیار ساده است. کابل‌هایی را که بین لامپ و دیواره پر از الکترون بسته‌شده‌اند تصور کنید. وقتی سوئیچ را می‌بندیم، تمام الکترون‌هایی که کابل را پر می‌کنند در لامپ لرزش دارند به جلو و عقب می‌روند و این تغییر سریع در مورد انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می‌کند و لامپ را درخشان می‌کند.

اینورتر چیست؟

یکی از میراث‌های تسلا (و همکار تجاری وی جورج وستینگهاوس، رئیس شرکت برق وستینگهاوس) این است که بیشتر وسایلی که در خانه‌های ما داریم به طور خاص برای اجرا از توان AC طراحی‌شده‌اند. وسایلی که نیاز به DC دارند اما مجبورند از پریز برق استفاده کنند، به تجهیزات اضافی به نام یکسو کننده، که معمولاً از اجزای الکترونیکی به نام دیودها ساخته می‌شوند، نیاز دارند تا از AC به DC تبدیل شوند. اینورتر کار مخالف را انجام می‌دهد و درک ماهیت نحوه کار آن بسیار آسان است. فرض کنید شما یک باتری را در یک چراغ‌قوه دارید و سوئیچ بسته است بنابراین DC در مدار جریان می‌یابد، همیشه در یک جهت، مانند یک ماشین مسابقه در اطراف یک مسیر. حال اگر باتری را بیرون بیاورید و دور آن را چرخانید، چه می‌کنید. به فرض متناسب با آن، تقریباً مطمئناً چراغ‌قوه را روشن خواهید کرد و هیچ تفاوتی در نوری که دریافت می‌کنید متوجه نخواهید شد، اما جریان الکتریکی واقعاً برعکس جریان خواهد یافت. فرض کنید چراغ‌قوه دارید و به اندازه کافی ماهر هستید تا باتری ۵۰-۶۰ بار در ثانیه معکوس کنید. شما می‌توانید نوعی اینورتر مکانیکی باشید، و باتری DC را به فرکانس ۵۰-۶۰ هرتز به AC تبدیل کنید. البته نوع اینورترهایی که در فروشگاه‌های برقی خریداری می‌کنید کاملاً به این شکل کار نمی‌کنند، اگرچه بعضی از آن‌ها در واقع مکانیکی هستند: از کلیدهای الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند که با سرعت بالا می‌چرخند و خاموش می‌شوند تا جهت فعلی را معکوس کنند. اینورترهایی مانند این، اغلب آنچه را به عنوان یک خروجی موج مربع شناخته می‌شوند تولید می‌کنند: جریان یا به یک صورت یا برعکس جریان می‌یابد یا فوراً در حال جابجایی بین دو حالت است:

 این نوع چرخش‌های برق ناگهانی برای بعضی از انواع تجهیزات الکتریکی کاملاً خطرناک است. در قدرت AC معمولی، جریان به تدریج از یک جهت به جهت دیگر در یک الگوی موج سینوسی تغییر می‌کند، مانند این:

از اینورترهای الکترونیکی می‌توان برای تولید این نوع خروجی AC با تغییرات متغیر از ورودی DC استفاده کرد. آن‌ها از اجزای الکترونیکی به نام سلف و خازن استفاده می‌کنند تا جریان خروجی افزایش‌یافته و به تدریج کاهش یابد از خروجی موج مربعی ناگهانی، روشن / خاموش که شما با یک اینورتر اساسی به دست می‌آورید. اینورترها همچنین می‌توانند از ترانسفورماتورها برای تغییر اختلاف پتانسیل الکتریکی ورودی DC مشخص به یک اختلاف پتانسیل الکتریکی خروجی AC کاملاً متفاوت (یا بالاتر یا پایین) استفاده شوند، اما قدرت خروجی همیشه باید کمتر از توان ورودی باشد: این از ذخیره انرژی است که یک اینورتر استفاده می‌کند. و ترانسفورماتور نمی‌تواند انرژی بیشتری را از زمان مصرف خود به دست آورد و مقداری انرژی در اثر گرما جریان برق در اجزای مختلف الکتریکی و الکترونیکی از بین می رود. در عمل، بازده اینورتر اغلب بیش از ۹۰ درصد است، اگرچه فیزیک اساسی به ما می‌گوید مقداری انرژی – هرچند کم – همواره در جایی هدر می رود.

اینورتر چگونه کار می‌کند؟

ما فقط یک بررسی کلی اساسی در مورد اینورترها داشتیم حالا بیایید کمی با جزئیات بیشتر به آن بپردازیم. تصور کنید که شما یک باتری DC هستید و کسی روی شانه شما می‌زند و از شما می‌خواهد که به جای آن AC تولید کنید. چگونه این کار را می‌کنید؟ اگر تمام جریان تولیدشده از یک جهت جریان داشته باشد، از اضافه کردن یک سوئیچ ساده به خروجی خود چه می‌خواهید؟ روشن و خاموش کردن جریان شما، با سرعت بسیار زیاد، به پالس‌ها جریان مستقیم می‌دهد که حداقل نیمی از کار را انجام می‌دهد. برای ایجاد AC مناسب، به سوئیچ نیاز دارید که به شما امکان می‌دهد جریان را به طور کامل معکوس کنید و در هر ثانیه حدود ۵۰-۶۰ بار این کار را انجام دهید. خود را به عنوان باتری انسانی که در طول عمر خود بیش از ۳۰۰۰ بار مخاطبین خود را تعویض می‌کند، تجسم کنید. در اصل، یک اینورتر مکانیکی قدیمی به یک واحد سوئیچینگ متصل به یک ترانسفورماتور برق اطلاق می‌شد. می‌دانیم که ترانسورماتورها دستگاه‌های الکترومغناطیسی هستند که AC کم ولتاژ را به AC با ولتاژ بالا تغییر می‌دهند، یا برعکس، با استفاده از دو سیم (به نام اصلی و ثانویه) پیچیده شده. اطراف یک هسته آهنی مشترک. در یک اینورتر مکانیکی، یا یک موتور الکتریکی یا نوع دیگری از سازوکار تعویض خودکار، جریان مستقیم ورودی را به عقب و جلو در حالت اولیه، می‌چرخاند و جریان متناوب را در ثانویه تولید می‌کند. دستگاه تعویض کلید دقیقاً مانند دستگاه موجود در درب الکتریکی است. وقتی برق متصل شد، سوئیچ را مغناطیسی می‌کند، آن را باز می‌کند و خیلی کوتاه آن را خاموش می‌کند. فنر سوئیچ را به حالت خود باز می‌گرداند، دوباره آن را روشن می‌کند و این روند را بارها و بارها تکرار می‌کند.

انواع اینورترها

اگر شما به سادگی یک جریان DC را روشن یا خاموش کرده یا آن را به عقب و جلو می‌چرخانید تا جهت آن معکوس شود، آنچه در پایان به وقوع می‌پیوندد تغییرات ناگهانی جریان است: هم در یک جهت، هم در جهت دیگر، و دوباره برمی‌گردند. نمودار جریان (یا ولتاژ) را در برابر زمان را رسم کنید تا موج مربعی به دست آید. اگرچه برق از نظر فنی متفاوت است، از نظر فنی جریان متناوب حاصل، اصلاً مانند جریان متناوب عرضه‌شده به خانه‌های ما نیست، که در یک موج سینوسی بسیار معیوب‌تر و متفاوت تر متغیر است. به طور کلی، وسایل سنگین در خانه‌های ما که از نیروی برق استفاده می‌کنند (چیزهایی مانند بخاری برقی، لامپ‌های رشته‌ای، کتری برقی یا یخچال) اهمیتی نمی‌دهند که از چه شکل موج دریافت می‌کنند: بلکه همه آنچه را که می‌خواهند مقادیر زیادی از انرژی است بنابراین عدم وجود موج سینوسی مشکلی برای آن ایجاد نمی‌کند. از طرف دیگر، وسایل الکترونیکی بسیار حساس‌تری موجود هستند که ورودی نرم و صاف‌تری را که از موج سینوسی تشکیل شده نیاز دارند. این توضیح می‌دهد که چرا اینورترها به دو بخش متمایز تقسیم می‌شوند: اینورتر موج سینوسی واقعی / خالص که اغلب با PSW کوتاه می‌شود و اینورتر موج اصلاح‌شده / شبه سینوسی که به طوذر مختصر به آنMSW  گفته می‌شود همان طور که از نام آن‌ها پیداست، اینورترهای واقعی از ترانسفورماتورها و مدارهای الکترونیکی استفاده می‌کنند تا جریان مستقیم را به جریان متناوب کاملاً متفاوت با نوع موج واقعی سینوسی که معمولاً به خانه‌های ما عرضه می‌شود تبدیل کنند. از آن‌ها می‌توان برای تهیه هر نوع لوازم برق از منبع DC، از جمله تلویزیون، رایانه، بازی‌های ویدئویی، رادیو و استریو استفاده کرد. از طرف دیگر اینورترهای موج سینوسی اصلاح‌شده، از تجهیزات الکترونیکی‌ نسبتاً ارزان (تریستورها، دیودها و سایر اجزای ساده) برای تولید نوعی موج مربع “گرد-دور” (تقریب بسیار سخت تر به موج سینوسی) استفاده می‌کنند که برای انتقال نیرو به وسایل نقلیه الکتریکی سنگین بسیار خوب هستند، آن‌ها می‌توانند در مورد الکترونیک ظریف (یا هر چیز با یک کنترل‌کننده الکترونیکی یا ریزپردازنده) مشکل ایجاد کنند، بنابراین، به طور کلی، این بدان معنی است که آن‌ها برای مواردی مانند لپ‌تاپ، تجهیزات پزشکی، ساعت دیجیتال مناسب نیستند. و همچنین دستگاه‌های خانگی هوشمند ، اگر به این موضوع فکر کنید، موج‌های مربع دور آن‌ها بیشتر از یک موج سینوسی خالص انرژی را به دستگاه منتقل می‌کنند (فضای بیشتری در زیر یک مربع وجود دارد تا یک منحنی). این باعث می‌شود تا آن‌ها کارایی کمتری داشته باشند و قدرت تلف‌شده در اثر گرما، به معنای خطر گرمای بیش از حد با اینورترهای MSW است. از طرف دیگر، آن‌ها کمی ارزان‌تر از اینورترهای واقعی هستند. اگرچه بسیاری از اینورترها به عنوان واحد مستقل کار می‌کنند، اما باتری آن کاملاً مستقل از شبکه است، برخی دیگر (معروف به اینورترهای تعامل با ابزار یا اینورترهای گرید گره) به طور خاص طراحی‌شده‌اند تا همیشه به شبکه وصل شوند. به طور معمول از آن‌ها برای ارسال برق از چیزی مانند پانل خورشیدی دقیقاً با ولتاژ و فرکانس مناسب به شبکه استفاده می‌شود. این اینورترها هنگامی که هدف اصلی شما تولید نیروی شخصی شما باشد بسیار مثمر ثمر هستند. اما در صورتی که بخواهید بعضی اوقات از شبکه مستقل باشید یا در صورت قطع برق، بخواهید از آن به عنوان منبع تغذیه پشتیبان استفاده کنید چندان مفید نخواهد بود، زیرا اگر اتصال شما به شبکه خراب شود، و شما برق خود را تولید نکنید (به عنوان مثال، شب است و صفحات خورشیدی شما غیرفعال هستند)، اینورتر نیز از کار می‌افتد، و شما کاملاً بدون نیرو هستید. به همین دلیل، برخی از افراد از اینورترهای دوقلوی یا دو طرفه استفاده می‌کنند، که می‌توانند به صورت مستقل یا به صورت گره خورده کار کنند (گرچه هر دو به طور همزمان نیستند). از آنجا که قطعات اضافی دارند، معمولا حجیم‌تر و گران‌تر هستند.

اینورترها می‌توانند بسیار بزرگ و سنگین باشند به خصوص اگر بسته‌های باتری داخلی داشته باشند تا بتوانند به روشی مستقل کار کنند. آن‌ها همچنین گرمای زیادی ایجاد می‌کنند، به همین دلیل دارای باله‌های فلزی و فن‌های خنک‌کننده نیز هستند. نمونه‌های معمولی آن تقریباً به اندازه یک باتری ماشین یا شارژر باتری خودرو است. واحدهای بزرگ‌تر مانند بانک باتری‌های اتومبیل در یک پشته عمودی به نظر می‌رسند. کوچک‌ترین اینورترها جعبه‌های قابل‌حمل بیشتری به اندازه یک رادیو اتومبیل هستند که می‌توانید به سوکت فندک خود وصل کنید تا برق AC  برای شارژ رایانه‌های همراه یا تلفن‌های همراه تولید شود. درست همان طور که لوازم در توان مصرفی متفاوت هستند، بنابراین اینورترها در توان تولیدی آن‌ها نیز متفاوت است. به طور معمول، برای اینکه در قسمت ایمن باشید، به یک اینورتر که حدوداً یک چهارم بالاتر از حداکثر توان دستگاه مورد نظر است، نیاز دارید. این امر این امکان را می‌دهد که برخی از لوازم (مانند یخچال و فریزر یا لامپ‌های فلورسنت) هنگام روشن شدن اولین بار انرژی اوج مصرف کنند. درحالی‌که اینورترها می‌توانند برای مدت زمان کوتاه توان حداکثر قدرت را تحویل دهند، لازم به ذکر است که آن‌ها واقعاً برای کار با حداکثر قدرت برای مدت طولانی طراحی نشده‌اند.