درایوهای اینورتر PWM منبع ولتاژ رایج ترین نوع درایوهای اینورتر ولتاژ پایین هستند که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیند به دست آوردن فرکانس مورد نیاز شامل تبدیل ولتاژ متناوب ورودی به DC با استفاده از یکسو کننده، صاف کردن DC در یک پیوند DC میانی با ذخیره انرژی خازنی و سپس معکوس کردن مجدد به جریان متناوب است.
ولتاژ خروجی پالسی به موتور اعمال می شود و جریان حاصل که توسط اندوکتانس قابل توجه موتور اصلاح می شود، عمدتاً از موج سینوسی اساسی در فرکانس عملیاتی مورد نیاز با یک جزء موج دار قدر کم بر اساس فرکانس سوئیچینگ.
هر دو ولتاژ و جریان در یک سیکل به شکل ساده شده با کاهش عمدی فرکانس سوئیچینگ در شکل 2 زیر نشان داده شده اند:
شکل موج خروجی ولتاژ و جریان اینورتر PWM
مدولاسیون عرض پالس یا فناوری PWM در اینورترها برای ایجاد ولتاژ خروجی ثابت 230 یا 110 ولت AC صرف نظر از بار استفاده می شود. اینورترهای مبتنی بر فناوری PWM نسبت به اینورترهای معمولی برتری بیشتری دارند. استفاده از ماسفت ها در مرحله خروجی و فناوری PWM این اینورترها را برای انواع بارها ایده آل می کند. اینورترهای PWM علاوه بر مدولاسیون عرض پالس، مدارهای اضافی برای حفاظت و کنترل ولتاژ دارند.
کیفیت شکل موج خروجی (230 / 110 ولت AC) از اینورتر کارایی آن را تعیین می کند. کیفیت شکل موج خروجی اینورتر با استفاده از داده های تحلیل فوریه برای محاسبه اعوجاج هارمونی کل (THD) بیان می شود. THD جذر مجذور مجذور ولتاژ هارمونیک تقسیم بر ولتاژ پایه است.
THD = √ V2 2 + V3 2 + V4 2…………. Vn 2 / V1
بر اساس شکل موج خروجی، سه نوع اینورتر وجود دارد. اینها اینورترهای موج سینوسی، موج سینوسی اصلاح شده یا موج سینوسی شبه و موج مربعی هستند.
موج سینوسی
جریان متناوب دارای ولتاژ متغیری است که از مثبت به منفی تغییر می کند. این مزیت در انتقال نیرو در مسافت طولانی دارد. توان از شبکه به دقت تنظیم می شود تا یک موج سینوسی خالص به دست آید و همچنین موج سینوسی کمترین میزان توان رادیویی را در طول انتقال از راه دور ساطع می کند. اما تولید موج سینوسی در اینورتر گران است. کیفیت آن عالی است و تقریباً تمامی لوازم برقی و الکترونیکی در اینورتر موج سینوسی به خوبی کار می کنند.
موج سینوسی
موج سینوسی شکل موج AC است که ما از خطوط داخلی و از ژنراتور دریافت می کنیم. مزیت اصلی اینورتر موج سینوسی این است که تمام لوازم خانگی برای کار در موج سینوسی AC طراحی شده اند. مزیت دیگر این است که موج سینوسی شکلی از ولتاژ افزایش زمانی نرم است و فاقد نوسانات هارمونیک است که می تواند باعث ایجاد نیروهای متقابل ناخواسته بر روی موتورها، تداخل در تجهیزات رادیویی و جریان افزایشی در کندانسور شود.
موج سینوسی اصلاح شده یا موج سینوسی شبه
موج سینوسی اصلاح شده برای شبیه سازی موج سینوسی طراحی شده است زیرا تولید موج سینوسی گران است. این شکل موج شامل یک فلات مسطح ولتاژ مثبت است که برای مدت کوتاهی به طور ناگهانی به صفر می رسد و سپس دوباره به یک فلات صاف با ولتاژ منفی سقوط می کند. سپس دوباره به صفر برمی گردد و به حالت مثبت برمی گردد. این مکث کوتاه در صفر ولت قدرت بیشتری به فرکانس اصلی 50 هرتز AC نسبت به موج مربعی ساده می دهد.
اینورترهایی که موج سینوسی اصلاح شده را ارائه می دهند می توانند به اندازه کافی برق اکثر لوازم خانگی را تامین کنند. مقرون به صرفه تر است اما ممکن است مشکلات خاصی را در وسایلی مانند اجاق های مایکروویو، چاپگرهای لیزری، ساعت های دیجیتال و برخی از سیستم های موسیقی ایجاد کند. 99% از وسایل برقی در موج سینوسی اصلاح شده با خوشحالی کار می کنند. ابزارهایی که از SCR (یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی) در بخش منبع تغذیه استفاده می کنند با موج سینوسی اصلاح شده بد رفتار می کنند. SCR گوشه های تیز موج سینوسی را به عنوان زباله در نظر می گیرد و ابزار را خاموش می کند. بسیاری از پرینترهای لیزری اینگونه رفتار می کنند و در اینورترها و یو پی اس هایی که قدرت موج سینوسی اصلاح شده را ارائه می دهند، کار نمی کنند. اکثر فن های با سرعت متغیر هنگام استفاده در اینورترهای موج سینوسی اصلاح شده وزوز می کنند.
موج مربعی
این ساده ترین شکل موج خروجی موجود در ارزان ترین شکل اینورترها است. آنها می توانند وسایل ساده را بدون مشکل راه اندازی کنند، اما نه چیز دیگری. ولتاژ موج مربعی را می توان به راحتی با استفاده از یک نوسان ساز ساده تولید کرد. با کمک یک ترانسفورماتور می توان ولتاژ موج مربعی تولید شده را به مقدار 230 ولت AC یا بالاتر تبدیل کرد.
مزیت مدولاسیون عرض پالس
در یک اینورتر استاندارد بدون فناوری PWM، ولتاژ خروجی با توجه به توان مصرفی بار تغییر می کند. فناوری PWM ولتاژ خروجی> را با توجه به مقدار بار با تغییر عرض فرکانس سوئیچینگ در قسمت اسیلاتور اصلاح می کند. در نتیجه، ولتاژ AC از اینورتر بسته به عرض پالس سوئیچینگ تغییر می کند. برای دستیابی به این اثر، اینورتر PWM دارای یک آی سی کنترل کننده PWM است که بخشی از خروجی را از طریق یک حلقه بازخورد می گیرد. کنترل کننده PWM در اینورتر اصلاحاتی را در عرض پالس پالس سوئیچینگ بر اساس ولتاژ فیدبک انجام می دهد. این تغییرات در ولتاژ خروجی را لغو می کند و اینورتر صرف نظر از ویژگی های بار، ولتاژ خروجی ثابتی را ارائه می دهد.
دیاگرام بلوک اینورتر PWM
PWM چگونه کار می کند؟
برای طراحی اینورتر از توپولوژی های مدار قدرت و روش های کنترل ولتاژ زیادی استفاده می شود. مهمترین جنبه فناوری اینورتر شکل موج خروجی است. برای فیلتر شکل موج (موج مربع، شبه سینوسی یا موج سینوسی) از خازن ها و سلف ها استفاده می شود. فیلترهای پایین گذر، برای کاهش اجزای هارمونیک استفاده می شوند. اگر اینورتر فرکانس خروجی ثابتی داشته باشد، می توان از فیلتر تشدید استفاده کرد. اگر اینورتر دارای فرکانس خروجی قابل تنظیم باشد، فیلتر باید در سطحی بالاتر از حداکثر فرکانس اصلی تنظیم شود. یکسو کننده های فیدبک برای تخلیه جریان بار القایی اوج زمانی که سوئیچ خاموش می شود استفاده می شود.
بر اساس تحلیل فوریه، یک موج مربعی دارای هارمونیک های فرد مانند سوم، پنجم، هفتم و غیره است، تنها در صورتی که ضد متقارن باشد و در حدود 180 درجه باشد. اگر شکل موج دارای پله هایی با عرض و ارتفاع معین باشد، هارمونیک های اضافی لغو می شوند. اگر یک پله ولتاژ صفر بین قسمت های مثبت و منفی موج مربع وارد شود، هارمونیک هایی که بر سه بخش پذیر هستند را می توان حذف کرد. عرض پالس باید 1/3 دوره برای هر مرحله مثبت و منفی و 1/6 دوره برای هر یک از مراحل ولتاژ صفر باشد. این هارمونیک های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و غیره را ترک می کند
.
فناوری مدولاسیون عرض پالس برای تغییر ویژگی های موج مربعی طراحی شده است. پالس های سوئیچینگ تعدیل کننده هستند و قبل از عرضه به بار تنظیم می شوند. هنگامی که اینورتر نیازی به کنترل ولتاژ ندارد، می توان از عرض پالس ثابت استفاده کرد.
فناوری مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM).
در فناوری Multiple Pulse width، از شکل موج هایی که حاوی تعدادی پالس باریک هستند استفاده می شود. فرکانس این پالس های باریک را Switching یا Carrier فرکانس می گویند. فن آوری MPWM در سیستم های کنترل موتور با فرکانس متغیر اینورتر استفاده می شود. این اجازه می دهد تا طیف گسترده ای از ولتاژهای خروجی و تنظیمات فرکانس را تنظیم کنید. بیشتر از فناوری MPWM به طور کلی کیفیت شکل موج را بهبود می بخشد.
ویژگی های اینورتر PWM
به منظور افزایش راندمان اینورتر PWM، مدار الکترونیکی با سنسور شارژ باتری، سنسور برق AC، تسهیلات استارت نرم، کنترل خروجی و غیره بسیار پیچیده است. مدار کنترل کننده PWM از PWM IC KA 3225 یا LM 494 استفاده می کند. این آی سی ها دارای مدارهای داخلی برای کل عملیات مدولاسیون عرض پالس. مدار اسیلاتور برای تولید فرکانس سوئیچینگ نیز در آی سی گنجانده شده است. بخش درایور خروجی از ترانزیستور یا آی سی درایور برای هدایت خروجی مطابق فرکانس سوئیچینگ استفاده می کند. بخش خروجی از آرایه ای از ماسفت های سوئیچینگ برای هدایت ترانسفورماتور پله ای استفاده می کند. ولتاژ خروجی در ثانویه ترانسفورماتور پله ای موجود است.