مقدمه

با توسعه روزافزون شبکه­ های قدرت در دنیا مباحثی از قبیل تبدیل انرژی ، انرژیهای نوین ، کاربردهای مختلف سیستمهای ساخت دست بشر در صنعت و ارتباط این موارد باهم باعث شده تا موضوع مهندسی قدرت به عنوان یکی از شاخه­ های بزرگ و برجسته در میان دریای علوم خود را تجلی کند. امروزه در اکثر جاهایی از دنیا که تمدنی وجود داشته باشد می­توان نفوذ شبکه­ های قدرت را دید.

در این میان مبحث الکترونیک قدرت یکی از مهمترین شاخه ­های این علم می­باشد. ادوات الکترونیک قدرت امروزه در انواع مختلف و برای کاربردهای گوناگونی ساخته شده­ اند. از آن جمله می­توان به رکتیفایر­ها ، تنظیم­ کننده­ های AC-AC ، برشگرهای ولتاژ وجریان (چاپر ها) ، اینورترها ، منابع تغذیه و …. اشاره کرد. اینورتر خورشیدی
از این بین اینورترها به عنوان یکی ازمهمترین و پرکاربردترین این ادوات مورد نظر می­ باشند. کاربردهای گوناگون اینورترها از جمله سیستمهای تبدیل DC به AC در مواردی همچون انرژی های نوین، درایو ماشین های الکتریکی و کنترل دور موتورهای القایی، UPS ها، انتقال انرژی در خطوط (HVDC)،  ادوات FACTS و …. مورد بحث روز می­ باشد.

مروری بر اینورترها – اینورتر خورشیدی

بسته به نوع کاربرد ، نوع کلید ، نوع شبکه که اینورتر به آن وصل می شود و… اینورترهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. در این قسمت به بررسی کوتاهی راجع به این انواع می­پردازیم.

در حالت کلی از لحاظ نوع تغذیه اینورتر و باری که اینورتر انرا تغذیه می کند ، می توان اینورترها را به دو گروه زیر تفسیم کرد :

· اینورترهای منبع ولتاژ VSI .

· اینورترهای منبع جریان CSI.

اینورترهای منبع جریان بیشتر در کاربردهای درایوهای ماشینهای بزرگ صنعتی کاربرد دارند یا در جاهائی که بحث توان بالا وجود دارد در این اینورترها ورودی DC اینورتر جریان می باشد و خروجی AC سینوسی آن ولتاژ . اما اینورترهای منبع ولتاژی برعکس می باشد یعنی ورودی DC ولتاژ و خروجی AC سینوسی جریان می باشد . در هر دو این اینورترها توان قابلیت انتقال در هر دو سمت را دارا می باشد یعنی در صورتی که ولتاژ و جریان هم علامت باشند سیستم بصورت اینورتر و در صورتی که مختلف العلامت باشند سیستم بصورت رکتیفایر عمل می کند.

• منبع تغذیه – اینورتر خورشیدی

اینورتر برق DC را از منابعی مانند باتری، پانل های خورشیدی، یا سلولهای سوختی به برق AC تبدیل می کند. برق خروجی را می توان به هر ولتاژی که لازم باشد تبدیل کرد.

میکرو اینورترها مستقیما جریان را از پانل های خورشیدی به جریان متناوب تبدیل می کنند.

•منابع برق اضطراری

استفاده از باتری و اینورتر بعنوان منبع تغذیه اضطراری (یو پی اس) جهت تامین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نیست. وقتی که برق اصلی مجددا برقرار شد ، از یکسو کننده برای شارژ کردن باتری ها استفاده می شود.

•گرمکن القائى

از اینورتر ها برای بالا بردن فرکانس برق اصلی جهت استفاده در گرمکن القائى استفاده می شود. برای اینکار ابتدا برق اصلی با به DC تبدیل کرده و سپس بوسیله اینورتر برق DC را به AC با فرکانس بالاتر تبدیل می کنند.

• انتقال انرژی به روش HVDC

در انتقال برق به روش HVDC (انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد و با تلفات کم)، ابتدا برق AC به برق DC با ولتاژ بالا تبدیل شده و به مکان دیگری منتقل می شود. سپس در محل دریافت، به کمک اینورتر آن را به برق AC تبدیل می کنند.

•درایو فرکانس متغیر – اینورتر خورشیدی

درایو فرکانس متغیر یا VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس برق اعمال شده به موتور الکتریکی است. اینورتر وظیفه کنترل برق را بعهده می گیرد. در اغلب موارد ، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است به طوری که برق DC مورد نیاز اینوتر از برق AC اصلی تامین می شود. از آنجا که در اینجا اینورتر یک عنصر اصلی است، بعضی اوقات درایو فرکانس متغیر به نام درایو اینورتر یا کلا اینورتر نامیده می شود.

•درایوهای الکتریکی وسیله نقلیه

در حال حاضر از اینورتر جهت کنترل قدرت کشش موتور در برخی وسایل نقلیه برقی مانند قطار برقی و همچنین برخی از خودروهای الکتریکی و هیبریدی مانند تویوتا Prius استفاده می شود. به طور خاص پیشرفت های مختلف انجام شده در تکنولوژی اینورترها به خاطر کاربرد آنها در وسایل نقلیه برقی است. در وسایل نقلیه مجهز به ترمز احیا کننده، اینورتر همچنین انرژی خود را از موتور (که در این جا به عنوان یک ژنراتور عمل می کند) گرفته و آن را در باتری ها ذخیره می کند.

از لحاظ نوع شبکه متصل به اینورتر می توان آنها را به دو دسته زیر تقسیم کرد : اینورتر خورشیدی

· اینورترهای حقیقی

· اینورترهای مجازی

اگر شبکه ای که اینورتر به آن وصل می باشد یک شبکه اکتیو باشد مثل کاربردهای تولید انرژی های نوین و HVDC در این صورت اینورتر یک اینورتر مجازی می باشد یعنی اینورتر در حقیقت یک مبدل پل تریستوری با زاویه آتش بزرگتر از ۹۰ درجه خواهد بود . اما در صورتی که این شبکه پسیو باشد اینورتر یک اینورتر حقیقی بوده و عمل تبدیل مستقیم DC به AC را انجام می دهد.

از لحاظ نوع کموتاسیون می­توان به دو دسته­بندی زیر رسید :

· اینورترهای با کموتاسیون طبیعی ، کموتاسیون خط.

· اینورترهای با کموتاسیون اجباری

کموتاسیون طبیعی بیشتر در سیستمهای متصل به شبکه استفاده می­گردد لیکن در کموتاسیون اجباری از طریق مدار جانبی کموتاسیون صورت می­گیرد.

از لحاظ نوع شبکه نیز می­توان تقسیم بندی زیر را انجام داد : اینورتر خورشیدی

·  اینورترهای تک فاز.

·  اینورترهای سه فاز.

که در واقع به نوع بار و نوع کاربرد بستگی دارند خود اینورترهای تک فاز نیز دارای انواع مختلفی می­باشند مانند اینورترهای نیم موج ، تمام موج و پوش پول که هر کدام در کاربردهای مخصوصی مورد استفاده دارند .

همچنین از بابت نوع مدار تحریک عناصر کلیدی می توان اینورترها را به انواع زیر تقسیم بندی کرد: اینورتر خورشیدی

· اینورترهای موج مربعی که در این انواع عمل کنترل ولتاژ از طریق رکتیفایر کنترل می­گردد تا اینکه دامنه موج AC خروجی را کنترل کند و اینورتر فقط عمل کنترل فرکانس را انجام می دهد . شکل موج خروجی در این حالت مربعی می باشد.

•  اینورترهای با مدولاسیون پالسی: در این سیستمها رکتیفایر معمولا بصورت دیودی بوده و عمل کنترل ولتاژ و فرکانس فقط توسط اینورتر صورت می­گیرد . این کار از طریق اعمال الگوهای مختلف پالس به کلیدهای اینورتر صورت می­گیرد . الگوهای مختلفی برای نزدیک تر کردن سیگنال خروجی به فرم سینوسی وجود دارند از جمله: PWM,SPWM,PAM,SVM,… که هرکدام درکاربردهای بخصوصی استفاده می­گردند.

از سوی دیگر می توان تقسیم­بندی را از لحاظ تعداد سطوح سیگنال خروجی انجام داد: اینورتر خورشیدی

· اینورترهای دو سطحی: در این سیستمها شکل موج خروجی دارای دو سطح خروجی مثبت و منفی می­باشد.

· اینورترهای سه سطحی: که در این سیسستمها علاوه بر دو سطح قبلی شکل موج سطح صفر نیز مابین آنها اضافه می­گردد. این کار با انجام عمل حذف ولتاژی در اینورترها صورت می­گیرد.

· اینورترهای چند سطحی: در این انواع از اینورترهائی با تعداد چند عنصر کلیدی در هر بازوی پل استفاده می­گردد که با ترکیب مناسب این عناصر باهم می توان به چندین سطح در سیگنال خروجی رسید. این عمل را با اتصال موازی اینورترها نیز می توان انجام داد . فایده این عمل در کاهش ابعاد سیستم فیلترینگ می­باشد.

اما انواع دیگری از اینورترهای پرکاربرد در صنعت وجود دارند که بیشتر برای کاربردهای فرکانس بالا استفاده می­گردند و با نام اینورترهای تشدیدی خوانده می شوند.

در این اینورترها کلید زنی عناصر در لحظه صفر شدن ولتاژ یا جریان صورت می­گیرد. لذا کاهش قابل ملاحظه ای در مقدار تلفات سویچینگ بوجود می­آورد. این اینورترها به دو دسته زیر تقسیم می گردند.: اینورتر خورشیدی

۱-اینورترهای با تشدید بار : در این نوع مبدلها از یک بار LC برای ایجاد رزونانس استفاده می شود . لیکن بسته به مقادیر مختلف در مقدار ضریب میرایی و فرکانس اینورتر ؛ این سیستمها می­توانند حالتهای مختلف عملکردی داشته باشند که هریک برای کاربرد خاصی استفاده می­گردند. خود این اینورترها دو نوع می باشند

· اینورترهای تشدیدی با مدار تشدید سری: که در این انواع از یک سیستم رزونانسی سری در خروجی اینورتر به همراه بار استفاده می­گردد و وجود سلف سری باعث پیوستگی در جریان خروجی خواهد شد. لذا این اینورتر بایستی از طریق یک منبع ولتاژ تغذیه گردد یعنی یک اینورتر منبع ولتاژ می باشد

· اینورترهای تشدیدی با مدار تشدید موازی: که در این انواع از یک سیستم رزونانسی موازی در خروجی اینورتر به همراه بار استفاده می­گردد و وجود خازن موازی باعث پیوستگی در ولتاژ خروجی خواهد شد. لذا این اینورتر بایستی از طریق یک منبع جریان تغذیه گردد یعنی یک اینورتر منبع جریان می باشد

۲-اینورترهای با لینک DC تشدیدی: در این سیستمها به ولتاژ DC ورودی به اینورتر اجازه داده می­شود تا حول یک مقدار ثابت نوساناتی را داشته باشد ، معمولا بین صفر و یک مقدار مثبت، در این حالت ولتاژ ورودی طی زمان محدودی صفر می ماند و اجازه سویچینگ در این لحظات به کلیدهای اینورتر داده می­شود.