اینورترهای خورشیدی

 

اینورترهای خورشیدی

 

اینورتر وسیله ای است که برق مستقیم یا DC دریافتی را به یک برق متناوب یا AC با ولتاژ بالاتر و بخصوص هم تراز با ولتاژ برق شهر مبدل می نماید تا در فعال سازی لوازمات برقی متداول، مورد استفاده قرار گیرد. 

قبل از هر چیز باید متذکر شد که این وسیله هیچ سنخیت و تشابهی با اینورتر یا معکوس کنندۀ منطقی که در الکترونیک و مدارات دیجیتالی به کار رفته و وظیفۀ معکوس کنندگی وضعیت منطقی یک ولتاژ DC بسیار جزئی در ورودی خود را دارا می باشد، ندارد.

اینورتر مورد استفادۀ ما دقیقا نقطۀ مقابل یک آداپتور AC یا منبع تغذیۀ معمولی می باشد چون با دریافت یک ولتاژ DC ۱۲ ولتی یا بالاتر از یک یا چند باتری سرب اسیدی یا نمونه های مشابه دیگر، برق AC مورد نیاز بسیاری از دستگاه ها و لوازمات برقی خانگی و صنعتی در رنج ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت را مهیا می سازد. 

 

 

 

  • عملکرد اینورتر

معمولاً اولین طبقۀ این وسیله، با استفاده از یک کنورتور DC به DC ولتاژ ۱۲ ولتی و مستقیم ورودی را به ولتاژ DC بالاتری مبدل می سازد. در ادامه و به کمک یک مدار سویچینگ، ولتاژ DC مزبور، جای خود را به یک ولتاژ AC یا متناوب که بارزترین خصوصیتش، یک شکل موج سینوسی می باشد داده و یک شکل موج تقریباً سینوسی شبیه سازی می گردد.

طبیعت ذاتی قطعات و مدارات سویچینگ دیجیتالی به گونه ای است که خروجی آن ها باعث ایجاد شکل موج های مربعی ساده ای می گردد که معمولاً وجود هارمونیک ها یا فرکانس های بالاتر را پنهان می نماید؛ شکل موج هایی که وجودشان برای مصرف کننده هایی که برق را به گرما می سازند بی ضرر است.

اساسی ترین هدف در طراحی اینورتر آن است که امواج مربعی حاصله را با یک دقت و تقریب قابل قبول و منطقی به یک شکل موج سینوسی کلاسیک نزدیک سازند. در این صورت هر چه شکل موج خروجی اینورتر از ظاهر سینوسی تر و نزدیک تری به آن برخوردار باشد، بدیهی است که مرغوب تر و گرانتر خواهد بود. در شکل (۱)، یکی از این امواج مربعی کاملاً تیز و دقیق (با خط پر رنگ) با یک موج سینوسی کامل و خالص هم فرکانس (با خط کمرنگ) مقایسه گردیده است.

 

 

مقایسِۀ یک موج سینوسی یک ولتاژ AC (خط کم رنگ) و یک موج مربعی هم فرکانس با آن (خط پررنگ)

 

شکل (۱) مقایسِۀ یک موج سینوسی یک ولتاژ AC (خط کم رنگ) و یک موج مربعی هم فرکانس با آن (خط پررنگ) 

 

توجه داشته باشید که یک جریان متناوب ۱۱۵ ولتی از یک ولتاژ پیک ۱۶۳ ولتی سود می جوید زیرا ریشۀ میانگین مربعی یا مقدار مؤثر شکل موج یاد شده در خلال یک چرخه ی مثبت که اختصارا RMS نامیده می شود، حدوداً معادل ۱۱۵ ولت می باشد. اشاره می شود که میزان RMS با در نظر گرفتن جذر میانگین مربعات دامنه های لحظه ای، در خلال یک چرخۀ کامل از شکل موج محاسبه می گردد که به واسطه ی تقارن شکل موج یاد شده، از نیم سیکل منفی صرفنظر نموده و به نیم چرخۀ مثبت آن بسنده می کنیم.

در یک موج سینوسی کامل و خالص، میزان RMS، معادل ۰٫۷۰۷ مقدار پیک یا قله در نظر گرفته میشود (با تقسیم ۱۱۵ به ۰٫۷۰۷ به عدد ۱۶۳ می رسیم). به عبارت دیگر برای به دست آوردن اندازه ی RMS ولتاژ باید X نمونه از مقادیر ولتاژ در زمان های مختلف از یک چرخه را برگزیده، مجذور یا مربع هریک را به دست آورده، آن ها را با هم جمع کرده ، نتیجه را به X تقسیم نموده و در نهایت، جذر یا ریشه ی دوم آن را محاسبه نمود. اهمیت ولتاژ RMS از آن جهت است که برای محاسبه ی توان واقعی قابل ارائه بر حسب وات می توان آن را در شدت جریان جاری در مدار موردنظر ضرب نمود.

 

 

 

  • انواع شکل موج ها

اولین گام در راه کسب یک شکل موج نزدیک تر و شبیه تر به یک موج سینوسی آن است که مطابق شکل (۲)، قسمت های کوچکی از شکل موج مربعی در حد فاصل پالس های مثبت و منفی آن به جای عبور سریع و لحظه ای از محور افقی، در زمان های کوتاهی بر میزان صفر ولت و محور مزبور منطبق گردند.

 

وارد کردن یک سری وقفه های صفر مولتی در حد فاصل پالس های مثبت و منفی شکل موج مربعی

 

شکل (۲) وارد کردن یک سری وقفه های صفر مولتی در حد فاصل پالس های مثبت و منفی شکل موج مربعی 

 

در ادامه و در صورتی که مطابق شکل (۳)، به هر یک از پالس های اولیه، یک پالس کوتاه ولی با ولتاژ بالاتر اضافه گردد، شکل موج حاصله بهبود یافته و از تیزی موج مربعی اولیه کاسته شده و در نهایت، ظاهر آن به یک شکل موج سینوسی نزدیک تر می گردد.

 

 

افزودن یک سری پالس های مربعی کوتاه تر به شکل موج قبلی، موجب افزایش دقت خروجی اینورتر می گردد.

 

شکل (۳) افزودن یک سری پالس های مربعی کوتاه تر به شکل موج قبلی، موجب افزایش دقت خروجی اینورتر می گردد.

 

با وجودی که این گونه شکل موج ها هنوز کم و بیش ماهیت مربعی خود را حفظ کرده اند، ولی از آن ها به عنوان شکل موج های شبه سینوسی یا سینوسی اصلاح شده یاد می شود، زیرا ظاهرشان شباهت زیادی به امواج سینوسی دارد. عدم دقت این گونه شکل موج ها به صورت «اعوجاج هماهنگ كل»، یا اختصارا THD بیان می گردد.

این کمیت که معمولاً به شکل درصد ارائه می شود، خارج قسمت ولتاژ RMS همه ی هماهنگ های موجود به کل ولتاژ RMS، به ازای یک ورودی سینوسی خالص و کامل می باشد. بدیهی است که هر چه اندازه ی THD کمتر باشد، شکل موج حاصله، شباهت بیشتری به یک نمونه ی سینوسی مطلوب خواهد داشت. برخی از مراجع معتقدند که «اعوجاج هماهنگ کل»، یا THD این گونه شکل موج های مربعی وقفه دار، چیزی در حدود ۲۵٪ است. این در حالی است که با افزودن پالس های مربعی کوتاه تر به این جور خروجی ها، کمیت مزبور را می توان تا حد ۶/۵ ٪ هم تنزل داد.

این نظریه، موضوعی است که موافقان زیادی دارد و شکی نیست که با افزایش پالس های کوتاه مدت با ولتاژهای مختلف، دستیابی به شکل موج های سینوسی تر، دور از دسترس نخواهد بود. در اینورترهای با خروجی سینوسی واقعی، برای دستیابی به THDهای زیر ۱٪، از روش مدولاسیون پهنای پالس یا اختصاراً PWM بهره می گیرند. در این طریقه، سلسله ای از پالس ها با فرکانسی که بسیار بیشتر از خروجی AC می باشد، تولید می گردند. پهنای پالس های مزبور به گونه ای تغییر می کند که میانگین ولتاژ آن ها، تا حدود بسیار زیادی از تغییرات یک شکل موج سینوسی تبعیت می نماید. ظاهر ساده شده ای از این وضعیت در شکل (۴) ملاحظه می گردد.

 

در روش مدولاسیون پهنای پالس، پهنای پالس ارائه شده در فرکانس های بالا، با نظم خاصی با شرایط مطلوب سازگار می شوند.

 

شکل (۴) در روش مدولاسیون پهنای پالس، پهنای پالس ارائه شده در فرکانس های بالا، با نظم خاصی با شرایط مطلوب سازگار می شوند.

 

 

 

  • توان و اندازه های اینورتر

معمولاً بیشترین توان اینورترهای کوچک چیزی در حدود ۱۰۰ وات می باشد که با وارد کردن سرفیش ورودی اینورتر به جا فندکی خودرو با اتصال آن به قطب های یک باتری ۱۲ ولتی یا ارتباط آن به خروجی یک پنل خورشیدی حاصل می گردد. اینورترها هم مثل سایر دستگاه ها و سیستم های دیگر با افت توان مواجه بوده و از راندمان ۱۰۰٪برخوردار نمی باشند.

بازده اینورترهای مرغوب تر و گران تر، بیشتر و راندمان نمونه های معمولی و ارزان تر، کمتر می باشد. برای مثال اگر راندمان کار یک اینورتر ارزان قیمت ۱۰۰ واتی، ۸۰٪ در نظر گرفته شود، از سیم های ورودی اینورتر، جریانی در حدود ۱۰ آمپر عبور می نماید.

با توجه به آنکه فیوز تعبیه شده در مدار سیم کشی فندک خودرو معمولاً از نوع ۱۵ یا ۲۰ آمپر می باشد، انتخاب یک اینورتر ۱۰۰ واتی، منطقی و قابل قبول خواهد بود. معمولاً به دلیل بالا رفتن جریان جاری در مدار ورودی اینورترهای ۱۵۰ واتی و بالاتر، بجای سیم های معمولی و سرفیش های فندکی، از کابل های نسبتاً قوی و گیره های سوسماری بهره گرفته و آنها را مستقیماً به قطب های باتری یا خروجی پنل های خورشیدی متصل می نمایند.

استارت اولیه و در حالت سرد یک خودرو به چیزی در حدود ۱۰۰ آمپر جریان نیاز دارد که حداکثر برای یک زمان ۳۰ ثانیه ای در هر نوبت در نظر گرفته شده و باتری نصب شده در خودرو، آن را تأمین می نماید.

در این صورت اگر یک اینورتر ۵۰۰ واتی به یک باتری معمولی خودرو متصل گردد، با احتساب راندمان ٪۸۰ اینورتر، به طور پیوسته، جریانی در حدود ۵۰ آمپر از باتری کشیده خواهد شد که فراتر از توانایی های یک باتری واحد است هرچند که اگر باتری در روی خودرو نصب و موتور روشن باشد، دینام، قسمتی از بار مزبور را تقبل کرده و در این صورت، مشکلی ایجاد نخواهد شد. بدیهی است که راه بهتر ، بهره گیری از دو یا چند باتری ۱۲ ولتی موازی شده می باشد تا با تقسیم جریان لازم، به هر کدام از آنها بار کمتری وارد شود.

 

 

  • نحوۀ استفاده از اینورتر

معمولاً اینورترهای کوچک و ضعیف را برای فعال سازی شارژهای تلفن همراه ، دستگاه های پخش صوت و یا راه اندازی لپ تاپ ها در خودروها به کار می برند. این در حالی است که اینورترهای بزرگ تر و قوی تر، جزء بسیار مهمی از سیستم های برق خورشیدی و همچنین سیستم های فعال شده با انرژی باد محسوب شده و توان ذخیره شده در باتری با باتری های موجود را به برق AC هم تراز با برق شبکه مبدل می سازند. منابع تعذیه ی بلاوقفه یا اختصاراً  UPSها، از اینورترها و باتری یا باتری هایی سود می جویند که قادر به فعال سازی کوتاه مدت کامپیوترها و دیگر وسائل حساس ولی کم مصرف الکترونیکی در زمان های کوتاه می باشند. یکی از دیگر موارد استفاده ی اینورترها، بهره گیری از جریان متناوب خروجی آن ها در راه اندازی موتورهای AC به کار رفته در خودروهای برقی است که، جریان بسیار شدیدی را از باتری های متصل به خود دریافت می نمایند.

به هر حال در ایجاد آسیب های احتمالی و اثرات مخرب استفاده از خروجی اینورترهای شبه سینوسی ارزان قیمت و نه چندان مرغوب، در فعال سازی دستگاه های الکترونیکی حساس و ظریف، اجماع و اتفاق نظر کاملی وجود ندارد.

شواهد و مدارک موجود حکایت از آن دارند که در مواردی که دستگاه موردنظر از منبع تغذیه سویچینگ یا یک آداپتور AC (چه بصورت داخلی و چه به شکل یک مجموعه ی خارجی قابل اتصال به پریز) سود می جوید، قسمت صافی یا فیلتر کنندۀ ادوات ذکر شده، مسیر عبور هارمونیک های خروجی از اینورتر را مسدود می نماید.

نشانه های دیگری مشاهده شده که از وجود آثار نامطلوب استفاده از خروجی اینورترهای ارزان قیمت و نامرغوب بر روی عملکرد دستگاه های حاوی موتورهای سنکرونی که مستقیماً با جریانات AC تغذیه می گردند، حکایت دارد. این در حالی است که کسانی که از خروجی اینورترهای شبه سینوسی برای روشن کردن لامپ های مهتابی یا فعال سازی فلاش های عکاسی الکترونیکی سود جسته اند، از کیفیت برق تولیدی اینورتر، رضایت چندانی نداشته اند.

هرچند که گفته های این گونه کاربران عمومیت نداشته و تفاوت های موجود در طراحی محصول و همچنین قطعات به کار رفته در مدارات آن ها، نقش کلیدی را ایفا کرده و کیفیت کار محصول نهائی را تغییر می دهند. برای مثال، به طوری که در شکل (۵) ملاحظه می کنید، شکل موج خروجی یک اینورتر ارزان قیمت، حتی به یک شکل موج مربعی خالص و کامل هم نزدیک نیست.

 

شکل موج خروجی اینورتر ارزان قیمت

 

شکل (۵) شکل موج خروجی اینورتر ارزان قیمت

 

 

 

  • عوامل موثر در عملکرد نامناسب اینورترها 

اگر طرح موردنظر به گونه ای است که در آن از چند باتری موازی شده استفاده گردیده، برای اتصال باتری ها به یکدیگر و هدایت خروجی آن ها به یک اینورتر بزرگ و قوی، حتما از کابل های قطور و مناسب استفاده نمائید. در انجام این کار الزاماً از باتری های مشابه و هم سن سود جسته و توجه داشته باشید که به محض اتصال باتری ها به یکدیگر و در صورت وجود تفاوت در ولتاژ و بارهای ذخیره شده در آن ها، باتری ها به تبادل انرژی با یکدیگر پرداخته و در صورت وجود اختلاف پتانسیل های قابل توجه، در کابل های رابط باتری های ضعیف تر و قوی تر، بعضاً جریانات بسیار شدید و خطرناکی جاری می گردد و به این لحاظ بهتر است قبل از اتصال آنها به یکدیگر، باتری ها را به صورت یکسان و مشابهی شارژ نمود.

در هنگام اتصال قطب های مشابه باتری ها به یکدیگر، برای پرهیز از افت ولتاژ و کاهش راندمان، حتماً ابتدا قطب های مثبت و منفی همه ی باتری ها را کاملاً تمیز کرده و در ادامه، بست سر کابل ها را به صورت مطمئن و محکمی به آن ها مربوط سازید. برای رعایت موارد ضروری مرتبط با باتری ها، بهتر است توصیه ها و راهکارهای پیشنهادی سازندگان باتری ها را هم مدنظر داشت.

معمولاً مسائل و مشکلات اینورترها، پیش پا افتاده و ساده می باشند. برای مثال نباید فراموش کرد که اگر چند تکه لباس یا یک رو انداز شبیه یک ملحفه یا پتو بر روی کابل های حامل ۱۲ ولت خروجی باتری ها به اینورتر قرار داده شوند، از خنک ماندن طبیعی آن ها ممانعت به عمل آمده و عملکرد سیستم را با دشواری همراه می سازند.

مثال دیگری از این دست، نصب نادرست اینورتر پر قدرت فن داری است که به علت موقعیت دهی نادرست بدنه، تهویۀ مناسب آن با مشکل روبرو شود. گاهی اوقات، همین ایراد، حتی با نصب صحیح هم اتفاق می افتد و آن هنگامی است که ذرات دوده و پرز و دیگر مواد پراکنده در هوای محیط، پنجرۀ تهویۀ موجود در بدنۀ اینورتر را مسدود نمایند.

یکی از اشکالات متداول که معمولاً ناشی از فرسودگی یا ضربه خوردگی است، شل شدن یا از جا در آمدن گیره های سوسماری از قطب های باتری می باشد. اضافه می شود که وقتی مصرف کننده های القائی مثل موتورهای الکتریکی نسبتاً قوی به خروجی اینورترها متصل می شوند، به دلیل جریان شدیدی که در لحظۀ استارت از اینورتر می کشند، بعضاً باعث قطع و وصل های پی در پی اینورتر می گردند. این وضعیت در هنگام استفادۀ توأم این گونه موتورها با سایر مصرف کننده ها، بیشتر رخ می دهد.

 

نکته:

در هنگام کار با اینورترها، صرفاً فریب ولتاژ ۱۲ ولتی ورودی آن ها را نخورده و بخاطر داشته باشید که گاهی اوقات در مدارات مختلف آن ها، جریانات الکتریکی بسیار شدید و خطرناکی جاری می باشد.

 

 

مقالات مرتبط