تاریخچه اینورتر
امروزه در صنعت کاربردها و استفاده‌های فراوانی از اینورتر می شود. اینورترها را با نام‌هایی مانند کنترل کننده دور موتور و یا درایور موتور نیز می‌شناسند.
وظایف مهم و اصلی اینورترها تبدیل مستقیم برق DC به AC (و بالعکس) و کنترل سرعت دور موتورها است. این فرآیند به گونه ای است که هیچ گونه کاهش قدرت و گشتاور در موتور مشاهده نمی‌شود.
شروع ساخت اینورترهای کنترل دور موتور همزمان با تولید الکتروموتورهای سه فاز با رتور قفسه سنجابی در توان‌های بالا است.
تولید الکتروموتورها و دینام‌های برق برای استفاده و انتقال برق در ولتاژ های بالا، تحول شگرفی در این صنعت ایجاد کرد. اما نحوه راه اندازی و توقف آنها مسئله‌ای مهم بعد از این تحول به شمار می‌آید.
الکتروموتورها در زمان راه اندازی، جریان زیادی را از شبکه می‌کشند که این جریان زیاد می‌تواند موجب افت توان و جریان در شبکه شود. از طرف دیگر هزینه بالایی برای مصرف کننده به همراه دارد.
به علاوه در زمان توقف این الکتروموتورها، حرکت روتور درون استاتور موجب ایجاد حالت ژنراتوری در الکتروموتورهای توان بالا شده که به موجب آن نمی‌توان استفاده ای از برق تولیدی کرد. در برخی موارد نیز لازم است تا شفت موتور ( روتور) به سرعت قفل شده و از حرکت باز ایستد.
در بیشتر موارد تا پیش از ساخت درایو و استفاده از آن، راه اندازی موتورها با استفاده از تابلوهای برقی که در اصطلاح امروزی به ستاره-مثلث معروف‌اند؛ صورت می‌گرفت. اما با پیشرفت تکنولوژی و دستیابی متخصصان حوزه برق به علم نیمه هادی‌های قدرت و یا الکترونیک قدرت، فرآیند تولید درایوهای کنترل دور موتور با استفاده از روش PWM آغاز شد.
به طور مثال شرکت زیمنس آلمان برای اولین بار در اواخر قرن 19 میلادی استفاده از درایو را برای ساختمان خود در شارلوتنبورگ کلید زد.
نخستین اینورتر که در طول جنگ جهانی دوم از آن استفاده می شده است؛ نوعی موتور ژنراتور ساخته شده توسط شرکت Redi-Line بود. این دستگاه که به پرنده آبی نیز شهرت داشت؛ نیازمند جریان راه اندازی 30 آمپری بود.
در سال های 1950 تا 1960، شرکت آمریکایی Tripp Lite با استفاده از نسل های اولیه ترانزیستورهای جامد توانست نوع اولیه اینورتر هایی که از ادوات الکترونیک قدرت استفاده می کردند؛ تجاری سازی کند. این اینورتر می توانست برق ورودی DC را به یک پالس مربعی تبدیل نماید.
با گذشت زمان و رشد علم الکترونیک، موج های مربعی بیشتر به سمت موج های سینوسی میل کردند و در نهایت اینورتر های امروزی در نوع ساده شکل گرفتند.
مطمئناً از آن زمان تاکنون، درایوها تغییرات بسیار زیادی به خود دیده‌اند. عملکرد، پارامترها و کاربردهای آنها دستخوش تغییرات بسیار زیادی شده است. در حال حاضر متناسب با عملکرد الکتروموتور، اینورترهای کنترل دور موتور مختلفی در بازار موجود است.
وظیفه درایو کنترل دور موتور ( اینورتر) چیست؟
یک درایو کنترل دور موتور باید بتواند حداقل سه عملیات زیر را بدون خطا در حوزه قدرت و گشتاور انجام دهد:
1- راه اندازی نرم الکتروموتور
2- دسترسی به سرعت دلخواه
3- توقف نرم الکتروموتور
در درایوهای پیشرفته قابلیت‌های بسیار زیادی وجود دارد. برای مثال ما می‌توانیم روش‌های مختلف راه اندازی و توقف را داشته باشیم و یا این که سرعت متغیر برای موتور تعریف کنیم و در نهایت مُدهای کنترلی مختلف مانند V/F، PID و… را به موتور اعمال کنیم. هم چنین می‌توان با استفاده از سنسور مناسب، یک کنترل حلقه بسته ایجاد کنیم. حتی در برخی نمونه‌ها، می‌توان با استفاده از یک درایو، چند موتور را راه اندازی کرد. اما فراموش نکنیم که سه پارامتر عنوان شده در بالا، اصلی ترین وظیفه یک درایو بوده که آن را متمایز با دیگر تجهیزات می‌کند.
انواع اینورتر
اینورترهای کنترل کننده دور موتور رامی توان از دو جهت طبقه بندی کرد. این طبقه بندی می‌تواند بر اساس نوع ولتاژ ورودی و خروجی و یا از نظر نوع بار یا موتور باشد.
انواع اینورتر بر اساس نوع ولتاژ ورودی و خروجی
اینورترهای موجود در بازار از نظر ولتاژ ورودی و خروجی به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند.
• اینورترهای تک فاز : ورودی برق تک فاز 220 ولت AC و خروجی سه فاز 220 ولت AC .
• اینورترهای سه فاز: ورودی سه فاز 380 ولت AC و خروجی 380 ولت AC.
اینورترهای تک فاز برای موتورهای توان پایین که قابلیت راه اندازی به صورت تک فاز را دارند، در نظر گرفته شده است. محدوده توانی آنها از 0.1 تا 11 کیلووات می باشد.
انواع اینورتر اینورتر بر اساس نوع بار یا موتور
در حال حاضر اینورترهای خاص با توابع مخصوص، متناسب با نوع مصرف کننده‌ها تولید می‌شوند. در داخل هر اینورتر یک پردازنده میکرو پروسسور قرار دارد که شامل برنامه‌ها و توابع خاص برای مصرف کنندگان مخصوصی است. بر همین اساس می‌توان انواع زیر را برای اینورتر ها عنوان کرد.
• اینورتر برای مصارف عمومی و راه اندازی های معمول
• اینورتر برای پمپ‌ها
• اینورتر برای فن‌ها
• اینورتر برای آسانسورها
• اینورتر برای جرثقیل‌ها و تاورها
• و …
ویژگی و مزایای اینورتر
از مهم ترین ویژگی این نوع درایورها می‌توان به هوشمند بودن آنها اشاره کرد. این نوع درایوها ابتدا میزان باری را که در حال حرکت به سمت موتور است را شناسایی کرده و سپس با استفاده از آن دستور فرمان را صادر می‌کند. حال چند نمونه از ویژگی‌های دیگر اینورترها را بررسی می کنیم.
صرفه جویی در مصرف برق و کاهش هزینه‌ی آن
اینورتر به سبب راه اندازی نرم و توقف نرم و استفاده از انرژی الکتریکی بر اساس میزان کار و گشتاور مورد نیاز؛ انرژی الکتریکی کمتری را در حالت راه اندازی ساده الکتروموتور مصرف می نماید.
کنترل دور موتور و سرعت با توجه به میزان بار
یک درایو کنترل دور موتور این قابلیت را به اپراتور می دهد تا موتور را در سرعت دلخواه تنظیم کرده و با استفاده از مد های کنترلی سرعت شفت را هماهنگ با میزان بار قرار گرفته بر روی آن تنظیم کند.
بالا بردن عمر مکانیکی موتور به دلیل ضربه و فشار بسیار بسیار پایین
مزیت راه اندازی و توقف نرم مانع از ایجاد ضربه در زمان راه اندازی موتور و قفل شدن یک باره شفت در زمان توقف برای برخی پروژه ها می شود.
قابلیت تغییر سرعت و جهت حرکت موتور بدون داشتن دیگر تجهیزات برق صنعتی
وجود ادوات نیمه هادی الکترونیک و استفاده از میکرو کنترلر های برنامه پذیر به ما این اجازه را می دهد که شفت موتور را در سرعت دلخواه و گردش دلخواه به حرکت در آوریم.
قابلیت استفاده از موتور در حالت ژنراتوری (در صورت نصب تجهیزات لازم)
با استفاده از ترمز دینامیکی و استفاده از مد های Regenerative در برخی اینورتر ها این قابلیت فراهم می شود که در زمان توقف آزاد ( توقف توسط اینرسی روتور) که موتور به حالت ژنراتوری می رود؛ از برق تولیدی استفاده کرد.
قابلیت راه اندازی چند موتور با یک درایو
با توجه به داشتن PLC داخلی در برخی اینورتر های کنترل دور موتور، این امکان فراهم است تا با برنامه ریزی صحیح، شرایطی را فراهم کرد تا موتور ها با کمک اینورتر یکی پس از دیگری به صورت نرم راه اندازی شده و به دور نامی برسند.
قابلیت راه اندازی چند سرعته
با تعریف برنامه در برخی اینورتر ها این حالت وجود دارد تا شما برای یک موتور تا بیش از 16 سرعت مختلف در نظر بگیرید.
قابلیت کنترل پروسه تولید ( در مدل های پیشرفته و دارای PLC داخلی)
در این حالت می توانید یک کنترل حلقه بسته را توسط سنسور ها ایجاد کرده و با استفاده از فرآیند فیدبک از کنترل های مختلفی نظیر PID بهره مند شوید.
معایب اینورتر
تمامی تجهیزات برقی علاوه بر مزایا می‌توانند معایبی هم داشته باشند. اما آنچه که مصرف کننده را به استفاده از تجهیز تشویق می‌کند، بزرگتر یا بیشتر بودن مزایا نسبت به معایب آن است. بر همین اساس می‌توان معایب زیر را برای کنترل کننده های دور موتور عنوان کرد.
1. رزونانس
درایوها با استفاده از PWM کار می‌کنند. بر همین اساس بزرگترین تولید کننده نویز در یک تابلو برق به شمار می‌روند. در صورتی که درایو شما در نزدیکی سیستم‌های مخابراتی، شبکه ای و یا اتوماسیونی نصب شده است، لازم است تا از فیلتر های مخصوص استفاده کنید.
2. دینامیک بودن موتور
یک موتور می تواند به واسطه باری که بر روی آن قرار می گیرد شرایط ایستایی نداشته باشد. بر همین اساس به استثنا درایو هایی که از کنترل حلقه بسته پشتیبانی می کنند؛ درایو ها نمی توانند به دقت و در لحظه عملکرد مطلوب را بر روی شفت موتور لحاظ کنند.
3. ملاحظات اضافی
به دلیل این که در سراسر دنیا اینورترها استفاده و کاربرد دارند، به این نکته باید توجه کرد که ولتاژ برق در سرتاسر دنیا متفاوت است و به همین منظور باید ملاحظاتی در نظر گرفته شود.
کاربردهای اینورتر
اگر بخواهیم از کاربردهای یک درایور راه انداز موتور صحبت نماییم، می‌توان ساعت‌ها صحبت کرد. اما به طور خلاصه می‌توان عنوان کرد که هر زمانی که از الکتروموتور استفاده می شود، جای یک اینورتر خالی است. می‌توانیم مثال‌های زیر را با هم بررسی کنیم:
• در ماشین لباسشویی برای به گردش در آوردن دیگ داخلی ماشین لباسشویی و با توجه به مقدار لباسی که داخل آن قرار می‌دهیم از اینورتر استفاده می‌کنیم.
• در یخچال یا کولرهای گازی می‌توان با استفاده از یک اینورتر و سنسور میزان دور موتور کمپرسورها را تعیین کرد.
• پمپ آب: فرض کنید شما در یک ساختمان 10 طبقه که هر کدام از این طبقات 4 واحد دارند، زندگی می‌کنید. برای این که تمام واحدها بتوانند از فشار آب مناسب و دلخواه بهره ببرند از اینورتر استفاده می‌شود تا سرعت دور موتور پمپ را تنظیم کند.
• در یک آسانسور با استفاده از اینورتر می‌توان به فواصل بین طبقات انتخابی و با استفاده از قابلیت راه اندازی نرم و توقف درایو؛ از استهلاک تجهیزات آسانسور جلوگیری کرد و ایمنی آن را افزایش داد.
• در یک نوار تسمه نقاله می توان با استفاده از اینورتر بر اساس میزان بار قرار گرفته بر روی تسمه؛ سرعت شفت و حرکت نوار را تغییر و بهبود داد.
• در یک میکسر بر اساس میزان مواد؛ نوع مواد و دور لازم برای هم زدن؛ شفت موتور و در نتیجه همزن میکسر را کنترل کرد.
و…
برند های معروف اینورترهای موجود در بازار
تقریبا تمامی برندهای معتبر موجود در صنعت برق با پیشرفت علم الکترونیک وارد عرصه تولید درایو شده‌اند. تولید درایوهای کنترل دور موتور برای بسیاری از برندها، مقدمه ورود آنها به سمت توسعه و ساخت تجهیزات اتوماسیون صنعتی بوده است. برند زیمنس تنها چند سال پس از ساخت دینام‌ها و ژنراتورهای برق به سراغ ساخت درایوهای مختلف رفت. می‌توان گفت که در حال حاضر در بازار ایران می‌توان برندهای مختلفی اعم از چینی، کره ای، تایوانی، ژاپنی، اروپایی و حتی ایرانی را تهیه و استفاده کرد. تفاوت بین برندها در موارد زیر خلاصه شده است:
1- مد های کنترلی
2- مدل‌های راه اندازی و توقف
3- توابع کاربردی
4- محدوده توانی
5- تجهیزات جانبی
6- مدت و شرایط ضمانت و خدمات پس از فروش
7- قیمت
در ادامه معروف‌ترین برندهای هر کشور را بررسی می‌کنیم.
از میان برندهای معروف چینی می‌توان به تکو و تتا اشاره کرد.
برندهای مطرح تایوانی موجود در بازار دلتا و لایت آن است که البته در برخی مدل‌ها و توان‌ها در کشور چین تولید می‌شود.
از میان برندهای مطرح ژاپنی می توان به یاساکاوا، میتسوبیشی و امرن اشاره کرد.
از میان برندهای مطرح اروپایی موجود در بازار می‌توان به زیمنس، اشنایدر ( تله مکانیک سابق)، دانفوس و ABB اشاره کرد.
برندهای مطرح کره ای موجود در بازار LS ، هیوندای و ADT است. می‌توان گفت که برند LS در حال حاضر بیشترین استفاده و فروش را در بازار ایران دارد. محصولات این شرکت از ده سال خدمات پس از فروش برخوردار است و طیف محصولات آن برای کاربردهای مختلف، بیشتر از تمامی برندهای موجود در بازار است.
از میان برند های مطرح ایرانی موجود در بازار نیز می‌توان به پرتو صنعت، ریسان، آگر و توان اشاره کرد.
