تکنولوژی اینورتر چیست؟
اینورتر یک تکنولوژی نوآورانه در کنترل دمای محیط می باشد که توان مصرفی دستگاه را با توجه به نیازها و شرایط محیط تنظیم می کند.
این تکنولوژی دو مزیت بسیار مهم دارد، راحتی و صرفه جویی در مصرف انرژی.
راحتی: یک سیستم تهویه مطبوع مجهز به تکنولوژی اینورتر به طور مداوم میزان سرمایش و گرمایش خروجی از دستگاه را متناسب با نیاز محیط تنظیم می کند. این تکنولوژی زمان راه اندازی سیستم را کاهش داده و سبب می گردد محیط با سرعت بیشتری به دمای متعادل دست یابد و به محض رسیدن به دمای متعادل فناوری اینورتر به صورت مداوم سعی در ثابت نگه داشتن آن دما دارد. همین امر باعث افزایش آسایش و راحتی محیط می گردد.
صرفه جویی در مصرف انرژی: از آنجایی که یک سیستم اینورتر هر زمان که نیاز باشد دمای محیط را کنترل و تنظیم می کند، مصرف انرژی در مقایسه با یک سیستم روشن/خاموش سنتی 30 درصد کاهش می یابد.
دو نوع سیستم تهویه مطبوع وجود دارد، سیستم های دارای تکنولوژی اینورتر و سیستم های بدون اینورتر (ON/OFF)
چرا در خاورمیانه نیاز به سیستم های تهویه مطبوع دارای تکنولوژی اینورتر می باشد؟
میزان ظرفیت سرمایش و گرمایش مورد نیاز در یک محیط به دمای بیرون و گرمای داخل محیط بستگی دارد. با توجه به اینکه در کشورهای خاورمیانه دمای محیط بیرون در طول سال متفاوت است و میزان گرمایش و سرمایش در محیط داخلی نیز متغیر می باشد لذا تنها یک سیستم اینورتر هوشمند می تواند به صورت مداوم دمای محیط را تنظیم کند و پاسخگوی نیاز کاربران باشد.
اینورتر چگونه به صرفه جویی در مصرف برق کمک می کند؟
تصویر زیر چگونگی توزیع دما در شرایط معمول خاورمیانه را نشان میدهد. سیستم های تهویه مطبوع برای این مناطق تا دمای 46 درجه سانتیگراد در فصل تابستان طراحی شده اند. اما درستی عملکرد این دستگاه در دمای 46 درجه سانتیگراد و بالاتر کمتر از 3درصد می باشد. در اینجا این سوال پیش می آید که چگونه می توان از 97% کارایی باقیمانده دستگاه بهره مند شد؟
تصویر زیر نشان می دهد با کاهش دما از 46 درجه سانتیگراد، بار سرمایش محیط نیز با توجه به کاهش دما، کاهش پیدا می کند. سیستم های اینورتر به این تغییرات سریع واکنش نشان می دهند و سرعت کمپرسور را کاهش می دهند به این معنی که سیستم های اینورتر به تنظیم سرعت کمپرسور کمک می کند و همین امر سبب کاهش مصرف انرژی می شود. میزان برق مصرفی سالانه با استفاده از سیستم های اینورتر تا 50 درصد کاهش می یابد.
راندمان اینورتر
بالا بردن بهره وری – از طریق تکنولوژی
مزایای استفاده از تکنولوژی اینورتر
- رسیدن سریع محیط به دمای متعادل
- کاهش زمان راه اندازی تا 3/1
- صرفه جویی در هزینه و مصرف انرژی با استفاده از سیستم اینورتر در مقایسه با سیستم های on/off که سبب کاهش مصرف انرژی از 30% تا 50% می شود.
- عدم نوسانات دما
- عدم رسیدن به پیک ولتاژ در سیکل کاری کمپرسور
هرچه فناوری هوشمندتر باشد، انرژی کمتری مصرف می شود.
تکنولوژی اینورتر چیست؟
اینورتر یک قطعه برق الکترونیکی است که به طور مداوم فرکانس تامین برق یک موتور الکتریکی را تغییر می دهد.
هر اینورتر از 3 بخش تشکیل شده است:
الف: رکتیفایر (یکسو کننده) که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند.
ب: DC BUS که به عنوان یک مخزن انرژی موقت عمل می کند.
ج: اینورتر که سبب تولید یک جریان متناوب (AC) جدید با فرکانس مناسب به منظور ایجاد جریان برق مناسب با نوع دستگاه می شود.
تغییرات فرکانس به نوبه خود به طور مداوم سرعت چرخش موتور را مطابق معادله زیر تغییر می دهد (معتبر برای محیط هایی با فرکانس استاندارد 50 هرتز):
معادله (1) نشان می دهد که سرعت چرخش یک موتور به فرکانس جریان (هرتز) عرضه شده و تعداد قطب های آن بستگی دارد.
به طور مثال:
موتوری که توسط جریان الکتریکی متناوب (AC) با فرکانس 50 هرتز و با دو قطب می باشد، دارای سرعت چرخش (بدون بار) 3000 دور در دقیقه است. موتوری با شش قطب (سه جفت قطب) در 1000 دور در دقیقه میچرخد. مدولاسیون مداوم سرعت موتور، توان تامین شده توسط یک قطعه الکتریکی را به دقت تنظیم می کند و توان را برای برآورده کردن نیاز دستگاه در هر لحظه برآورده می کند.
اجزای اینورتر
همانطور که در معادله زیر نشان داده شده است، تنظیم توان برای برآورده کردن نیازهای یک وسیله سبب بهینه سازی انرژی و صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی میشود. همین امر سبب کاهش هزینه های مدیریتی و همچنین کاهش تاثیرات مخرب زیست محیطی میگردد.
یکی از اجزای اینورترها رکتیفایرها هستند که جریات “متناوب” را به جریان ” مستقیم” تبدیل می کنند که از دو حالت فعال و غیرفعال تشکیل می شوند.
• رکتیفایرهای غیر فعال دیودها هستند.
• رکتیفایرهای فعال شامل سیلیکون های کنترل شده هستند.
رکتیفایرها (SCR) یا ترانزیستورهایی همچون ترانزیستور دوقطبی عایق دار (IGBT) فقط در صورت وجود سیگنال کنترل در طول مسیر، جریان را عبور می دهند.
با توجه به ماهیت متناوب ولتاژ عرضه شده، حداقل دو رکتیفایر برای هر فاز تغذیه لازم است: یکی اجازه عبور جریان را زمانی که ولتاژ تغذیه مثبت است می دهد و دیگری هنگامیکه ولتاژ منفی است، باز می شود.
بنابراین، در مورد منبع تغذیه 3 فاز (L1، L2، L3 در یک شبکه 50 هرتز، 3Ph، 400 ولت)، رکتیفایر حداقل از شش عنصر تشکیل شده است که به عنوان “اینورتر 6 پالس” شناخته می شود.
با این حال، برخی از اینورترها با تعداد زیاد رکتیفایر هم کار می کنند، برای مثال به تعداد چهار، شش یا هشت رکتیفایر برای هر فاز. این دستگاهها بهعنوان دستگاههای «12 impulse» (4×3 فاز)، «18 impulse» (3×6 فاز) یا دستگاههای «24 impulse» (3×8 فاز) شناخته میشوند.
وجود رکتیفایرهای بیشتر در هر فاز، اختلالات هارمونیک در یک شبکه را در مقایسه با آنچه که معمولاً توسط یک جزء اینورتر القا می شود، کاهش می دهد. اگر رکتیفایر دارای اجزای فعال مانند ترانزیستورهای IGBT باشد، دستگاه اینورتر به عنوان Active Front End Inverter (AFE-inverter) شناخته می شود. این دستگاهها کاملا در راستای پاسخگویی به قوانین و استانداردهای لازم در حداکثر سطوح اختلالات هارمونیک که در یک شبکه توسط مولفه VFD القاء شود، طراحی شده اند.
مزایای اصلی اینورتر
تمامی اجزای تشکیل دهنده دستگاه اینورتر سبب افزایش کیفیت، کارایی و بهره وری در مصرف انرژی می شود، علاوه بر این سایر مزایای دستگاه اینورتر عبارتند از:
4 ویژگی اصلی دستگاه اینورتر عبارت است از:
1) مزایای مکانیکی
2) مزایای الکتریکی
3) بهره وری انرژی
4) مزایای مصرف کننده
1. مزایای مکانیکی
در سیستم های On/Off (غیر اینورتر)، اجزای مکانیکی در فاز “شروع” و “توقف”، به ویژه در شرایط غیر ایده آل که نیاز به روغن کاری اجزای متحرک می باشد، تحت تاثیر حداکثر ضربه و فشار قرار می گیرد.
در این حالت، در صورت روشن و خاموش کردن یک موتور الکتریکی به صورت مکرر – و به طور ویژه در رابطه با کمپرسور – میزان سایش افزایش می یابد و می تواند کارایی دستگاه را در طول زمان تحت تاثیر قرار دهد (شکل 2). سایش مکانیکی در این مرحله با سرعت حرکت قطعات رابطه مستقیم دارد.
در سیستم هایی که فرکانس تامین برق موتور ثابت است قطعات هنگام روشن شدن دستگاه با حداکثر سرعت شروع به حرکت می کنند. این در حالی است که در سیستم های اینورتر با توجه به اینکه از جریان متناوب برق استفاده میشود بنابراین اجازه می دهد تا سرعت حرکت قطعات به تدریج تعدیل شود. این امرتنش های مکانیکی ناشی از سرعت راه اندازی بالا را کاهش می دهد.
2. مزایای الکتریکی
مزایای الکتریکی استفاده از اینورتر به سه دسته تقسیم میشود:
الف) جریان راه اندازی به حداقل می رسد
ب) ضریب توان بالا
ج) کاهش توان کل جذب شده بر حسب کیلوولت آمپر در حالت استفاده از حداکثر توان دستگاه
الف) به حداقل رساندن مقدار جریان راه اندازی
مقدار جریان راه اندازی یک موتور الکتریکی معمولاً به عنوان درصدی از مقدار آمپر بار کامل (FLA) ارزیابی می شود. سیستم های راه اندازی موتورهای الکتریکی عمدتاً عبارتند از: D.O.L.، Y-∆، Soft Starter، Part Winding، Autotransformer و Inverter.
از میان موارد نامبرده شده، فقط سیستم اینورتر می تواند فرکانس ورودی یک موتور الکتریکی را تغییر دهد، در حالی که بقیه به طور انحصاری بر روی مقدار ولتاژ کار می کنند. این محدودیت اصلی آنها در به حداقل رساندن جریان مورد نیاز برای راه اندازی دستگاه است. جدول شماره 1 مقادیر جریان مورد نیاز برای روشن کردن دستگاه را با درصد FLA برای سیستم های اشاره شده در بالا به صورت مقایسه ای نشان میدهد.
هنگامی که یک اینورتر حرکت موتور کمپرسور را کنترل می کند، هیچ فشاری برروی کمپرسور در هنگام شروع به حرکت وارد نمیشود. به عنوان مثال چیلرهای اینورتر که مجهز به چندین کمپرسور هستند هنگامیکه اولین کمپرسور شروع به کار می کند جریان مورد نیاز تنها برابر با چند آمپر است. و زمانیکه کمپرسور بعدی شروع به حرکت می کند جریان ورودی واحد هرگز بالاتر از آمپر جریان موتورهای الکتریکی که قبلاً شروع به حرکت کردند نمی باشد.
یک کمپرسور تبرید مجهز به موتور الکتریکی 180 کیلووات، دارای استارت اولیهY-∆ تقریبا برابر با 700A می باشد. اما با استفاده از یک اینورتر این مقدار تقریبا برابر با صفر میشود.
ب) ضریب توان بالا (PF)
هر موتور الکتریکی که یک میدان مغناطیسی دوار را در داخل موتور ایجاد و حفظ کند، دو نیروی مجزا را جذب می کند:
» توان فعال (ACTIVE power)، با کیلووات اندازه گیری شده و برای تامین توان مکانیکی استفاده می شود
» توان واکنشی (REACTIVE power)، که برحسب KVAR (kilovolt-Ampere-Reactance) اندازه گیری می شود و سبب ایجاد میدان مغناطیسی داخلی می شود.
مجموع این دو نیرو توان کل نامیده می شود و بر حسب KVA (kilovolt-Amperes) محاسبه می شود، که A نشان دهنده جریان کل و موثر جذب شده توسط موتور است.
نسبت بین توان فعال ACTIVE (kW) و توان کل TOTAL (kVA) همانطور که در فرمول (3) نشان داده شده است، ضریب توان (PF) نامیده می شود.
یک موتور الکتریکی برای حفظ میدان مغناطیسی داخل موتور لزوماً نیروی واکنشی را جذب می کند. با توجه به میزان نیروی ACTIVE جذب شده (کیلووات)، هرچه بار موثر موتور کمتر باشد، توان راکتیو(واکنشی) بیشتری را جذب می کند.
به عبارت دیگر، ضریب توان یک موتور الکتریکی با کاهش سطح بار آن کاهش مییابد و در شرایط حداقل بار به مقادیر کمتر از PF = 0.6 میرسد.
افزایش توان راکتیو (واکنشی) جذب شده در هر صورت سودمند نیست زیرا:
» افزایش در جریان موثر جذب شده با از بین رفتن مقاومت بیشتر همراه است (اثر جول)
» سطح مقطع بزرگتری از ترانسفورماتورها و سیم های برق مورد نیاز است
» خطر تحمیل تحریم های اقتصادی از سوی تامین کنندگان برق وجود دارد که معمولاً به مقادیر ضریب توان کمتر از 0.85-0.9 در گره تأمین نیاز دارند.
از سوی دیگر، نصب یک اینورتر با بخش BUS DC که شامل کندانسورها (اثر خازنی) در هر شرایط باری است – ضریب توان 0.95-0.97 را تضمین می کند (شکل 4).
کاهش توان موتور الکتریکی و کاهش بار مصرفی (که در یک موتور مجهز به اینورتر عموما به صورت معکوس رخ می دهد) موارد زیر را ایجاد می کند.
1. احتمال جریمه از طرف تامین کننده برق به دلیل عدم رعایت شرایط فازبندی مجدد در نقطه عرضه
2. نیاز مکرر به نصب یک باتری خارجی از کندانسورهای بازسازی بار (برای ایجاد تعادل بار و بهبود عملکرد سیستم)
3. جذب دائمی الکتریسیته (A) توسط موتور، این امر باعث مصرف انرژی بیشتر و هزینه های سالانه بالاتر می شود.
ج) کاهش توان کل جذب شده بر حسب کیلوولت آمپر در حالت استفاده از حداکثر توان دستگاه
تبدیل کننده (اینورتر) در هنگام عملکرد خود، ضریب قدرت بالاتری را در مقایسه با قدرت فعال موثر که توسط بار جذب میشود، حفظ میکند. ضریب قدرت نشان دهنده تطابق بین قدرت فعال و قدرت ظاهری است و از طریق مقدار زاویه بین جریان و ولتاژ مشخص میشود. با افزایش ضریب قدرت، جریان مورد نیاز جهت تأمین قدرت کاهش مییابد و در نتیجه قدرت کلی جذب شده نیز کاهش مییابد. در شرایط بار کامل (وقتی که بار به طور کامل فعال است) و همچنین در شرایط بار جزئی (وقتی بار کمتر از ظرفیت ماشین است)، این اینورتر باعث کاهش جریان مصرفی میشود. این کاهش جریان نامی در عملکرد معمولی همچنین به همان اندازه، قدرت کلی جذب شده توسط بار (مثلاً یخچال) را کاهش میدهد. این مقدار در مورد بار سه فاز با فرمول (4) محاسبه می شود. این مزیت بویژه در شرایطی که نمیتوان درخواست افزایش تأمین برق را کرد (ممکن است به دلیل اشباع شدن شبکه برق محلی)، بسیار مهم است. به عنوان مثال، در صورتی که برق موجود برای تأمین بار بیشتر در دسترس نباشد، استفاده از اینورتر و کاهش قدرت مصرفی میتواند به عملکرد بهتر و پایدارتر سیستم کمک کند.
3. بهره وری انرژی
بدون شک یکی از مزایای اصلی دستگاه های مجهز به اینورتر مانند فن، پمپ یا کمپرسور صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی می باشد.
با روشن کردن کولرگازی اینورتر کمپرسور با دور کم شروع به کار می کند و بتدریج متناسب با برودت مورد نیاز به دور نامی خود می رسد. زمانیکه فضای مورد نظر به دمای تنظیم شده رسید، فرمان کاهش دور ( با کاهش فرکانس) به کمپرسور داده می شود. با کاهش دور کمپرسور، کار موتور و به طبع مصرف برق دستگاه کاهش می یابد. در این شرایط اگر مجددا دمای محیط بالا رود دور کمپرسور افزایش پیدا کرده و پروسه تولید برودت ادامه پیدا می کند. اگر چنانچه در زمان کاهش دور کمپرسور دمای فضای مورد نظر هم افزایش پیدا نکند، بتدریج کمپرسور خاموش می شود. همین امر سبب کاهش مصرف انرژی می شود.
4. مزایای استفاده از اینورتر برای کاربران
راحتی: سیستم های تهویه مطبوع با کنترل اینورتر به طور مداوم خروجی سرمایش و گرمایش را متناسب با دمای محیط تنظیم می کنند و در نتیجه سطح راحتی را بهبود می بخشند. اینورتر زمان راه اندازی سیستم را کاهش می دهد، بنابراین دمای اتاق مورد نیاز با سرعت بیشتری به دمای دلخواه می رسد و به محض رسیدن به آن دما، سیستم اینورتر به طور مداوم سعی در حفظ آن می کند.
بهره وری انرژی: دستگاه های مجهز به اینورتر در بارهای جزئی کارآمدتر عمل می کنند و در نتیجه مصرف انرژی کمتری نسبت به سایر سیستم ها دارند زیرا آنها فقط به توان لازم برای مطابقت با بار نیاز دارند. این باعث کاهش مصرف انرژی سالانه می شود. به عنوان مثال، یک سیستم تهویه مطبوع مجهز به اینورتر، دمای محیط را در هر زمان که نیاز باشد کنترل و تنظیم می کند، بنابراین مصرف انرژی در مقایسه با یک سیستم روشن/خاموش سنتی تا 50 درصد کاهش می یابد.
صرفه جویی در هزینه: بدلیل مصرف انرژی کمتر، هزینه ناشی از مصرف برق نیز کاهش می یابد.
کاهش انتشار کربن: بهبود کارایی سیستم های اینورتر سبب کاهش قابل توجه انتشار گاز کربن نیز می شود.
امکان کنترل هوشمند: سیستم های اینورتر امکان کنترل، برنامه نویسی و نظارت بر تمامی فرآیند عملکرد دستگاه را برای کاربران فراهم می کند. این مزیت سبب کاهش مصرف انرژی و بهبود کارایی آن می گردد.