اینورتر چیست؟

یکی از مهم‌ترین نبردهای قرن 19، نه نبرد بر سر زمین یا منابع، بلکه نبرد بر سر ایجاد به نوعی از الکتریسیته بود که به ساختمان‌هایمان برق بدهد.

در سال‌های آخر قرن 19، توماس نیوتون (1931-1847)، پیشگام آمریکایی در زمینۀ برق، تلاش بسیاری کرد تا ثابت کند که برای تامین نیروی الکتریکی، جریان مستقیم (DC)، از جریان  متناوب (AC) که سیستمی بود که رقیب اصلی‌اش نیکولا تسلا (1943-1856) از آن حمایت می‌کرد، بسیار بهتر است. ادیسون تمام راه‌های غیراخلاقی را برای متقاعد کردن مردم به این که برق AC خیلی خطرناک است، امتحان کرد. از کشتن یک فیل بر اثر برق گرفتگی گرفته، تا (تقریبا با حیله‌گری) حمایت از استفاده از برق AC در صندلی الکتریکی برای اجرای حکم اعدام. با این وجود، باز هم در آن زمان سیستم تسلا پیروز شد و از آن زمان به بعد دنیا تقریبا بر پایۀ برق AC می‌گردد.

تنها مشکل این است که، گرچه بسیاری از وسایل ما برای کار با برق AC طراحی شده‌اند، ژنراتورهای برق کوچک معمولا برق DC تولید می‌کنند. این بدان معنیست که اگر قصد را اندازی ابزاری که با برق AC کار می‌کند، به وسیلۀ یک باتری DC در یک خانۀ سیار را دارید، به وسیله‌ای برای تبدیل برق DC به AC نیاز خواهید داشت- یک اینورتر. حال بیایید نگاهی دقیق‌تر به این ابزار انداخته و ببینیم چطور کار می‌کند!

تفاوت بین برق DC و AC چیست؟

وقتی معلم‌های علوم مفهوم اولیۀ الکتریسیته را به عنوان جریانی از الکترون‌ها برایمان توضیح می‌دهند، معمولا دارند در مورد جریان مستقیم[1] (DC) صحبت می‌کنند. ما یاد می‌گیریم که الکترون‌ها تقریبا شبیه به صفی از مورچه‌ها رفتار می‌کنند و مثل وقتی که مورچه‌ها برگی را حمل می‌کنند، بسته‌های کوچک انرژی الکتریکی را بر دوش گرفته و پشت سر هم حرکت می‌کنند. این تشبیه برای چیزی مثل یک چراغ قوۀ ساده که از یک مدار (حلقۀ الکتریکی بسته) متصل به یک باتری، یک لامپ، و یک کلید تشکیل شده، و تا زمان خالی شدن باتری انرژی الکتریکی به شکل منظم از باتری به لامپ منتقل می‌شود، به اندازۀ کافی خوب است.

دیاگرام: تصوری که ما از الکتریسیته به عنوان جریانی از الکترون‌ها داریم، معمولا برق DC (جریان مستقیم) است.

در لوازم خانگی بزرگتر، الکتریسیته به شکلی متفاوت کار می‌کند. برقی که از پریز روی دیوارتان می‌گیرید بر اساس جریان متناوب[2] (AC) طراحی شده است. یعنی به شکلی که جهت الکتریسیته حدود 50 تا 60 بار در ثانیه تغییر می‌کند (به بیان دیگر، با فرکانس 50 تا 60 هرتز). درک این که جریان AC چطور می‌تواند در حالی انرژی را تامین کند که دائما نظرش در مورد این که به کدام جهت می‌رود تغییر می‌کند، می‌تواند سخت باشد. مثلا اگر بگوییم الکترون‌هایی که دارند از پریز برق خانه‌تان بیرون می‌آیند بعد از طی کردن چند میلیمتر از طول سیم مجبور باشند دوباره به عقب برگردند، اصلا چطور ممکن است که به لامپ روی میزتان برسند تا بتوانند روشنش کنند؟

پاسخ این سوال در واقع بسیار ساده است. تصور کنید سیم‌هایی که پریز را به لامپ وصل کرده‌اند پر از الکترون هستند. وقتی کلید را می‌زنید تا لامپ روشن شود، همۀ الکترون‌هایی که سیم را پر کرده بودند، در رشتۀ درون لامپ در جهت جلو وعقب به لرزه می‌افتند -و این حرکت سریع به اطراف، انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل کرده و باعث روشن شدن لامپ می‌شود. برای انتقال انرژی لازم نیست که الکترون‌ها حتما در یک مدار دایره‌ای بچرخند: در جریان AC، الکترون‌ها فقط “در محل خودشان حرکت می‌کنند.”

اینورتر چیست؟

عکس: یک اینورتر برق معمولی. این نمونه در شرکت مهندسی زانترکس/تریس ساخته شده است. عکس از وارن گرتز. با تشکر از دپارتمان انرژی/[3]NREL (DoE/NREL)

یکی از میراث تسلا (و همینطور جرج وستینگهاوس، شریک تجاری او و رئیس شرکت الکتریکی وستینگهاوس) این است که بیشتر لوازم برقی‌ای که ما در خانه‌هایمان استفاده می‌کنیم، مخصوصا طوری طراحی شده‌اند که با برق AC کار کنند. وسایلی که با برق DC کار می‌کنند ولی باید برقشان را از پریزهای AC بگیرند، به قطعه‌ای اضافی نیاز دارند که یکسوساز[4] نامیده می‌شود و معمولا از قطعات الکترونیکی‌ای به نام دیود برای تغییر AC به DC استفاده می‌کنند.

کاری که اینورتر انجام می‌دهد دقیقا برعکس یکسوساز است و فهم اساس کارش بسیار آسان است. فرض کنید یک باتری در چراغ قوه‌ای گذاشته‌اید و کلید آن هم وصل است، بنابراین جریان DC مانند یک ماشین مسابقه که در پیستی در حال حرکت است، همیشه در یک جهت در مدار جریان پیدا می‌کند. حالا اگر باتری را دربیاورید و برعکس در جایش قرار دهید چه اتفاقی می‌افتد؟ با فرض این که بتوان باتری را برعکس جا زد، با احتمال قریب به یقین باز هم چراغ قوه کار خواهد کرد و شما هم متوجه تغییری در نوری که ایجاد می‌کند نخواهید شد- اما در واقع جریان برق در حال حرکت در جهت مخالف است. فرض کنید که دست‌هایتان سرعتی جادویی داشتند و آنقدر سریع بودند که می‌توانستید جهت باتری را در هرثانیه 50 الی 60 بار عوض کنید. در این حالت شما به نوعی یک اینورتر مکانیکی بودید که برق DC باتری را به AC با فرکانس 50-60 هرتز تبدیل می‌کرد.

البته اینورترهایی که از فروشگاه‌های الکتریکی می‌خرید دقیقا به این شکل عمل نمی‌کنند، گرچه بعضی از آن‌ها در حقیقت مکانیکی هستند: این نوع اینورترها از کلیدهای الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند که برای تغییر جهت جریان، با سرعتی بالا قطع و وصل می‌شوند. اینگونه اینورترها اغلب یک خروجی موج مربعی دارند: جریان یا در جهت مستقیم است و با در جهت خلاف آن، و یا دارد با سرعت بین این دو حالت تغییر وضعیت می‎دهد.

این تغییر سریع جهت جریان برای برخی از انواع وسایل برقی بیش از حد خشن است. در برق AC معمولی، تغییر جهت جریان به تدریج و طی یک شکل موج سینوسی به شکل زیر انجام می‌شود:

می‌توان برای تولید انواع متنوعی از چنین موج‌های نرمی، از اینورترهای الکتریکی استفاده کرد. در این اینورترها از قطعات الکترونیکی‌ای به نام سلف و خازن استفاده می‌کنند تا موج خروجی جریان، آرام‌تر از حالت خاموش/روشن ناگهانی موج مربعی بالا و پایین برود.

می‌توان برای تغییر یک ولتاژ ورودی DC خاص به یک ولتاژ خروجی AC کاملا متفاوت (چه بالاتر و چه پایین‌تر)، از اینورترها در کنار مبدل‌ها هم استفاده کرد. البته در این حالت توان خروجی باید همیشه کمتر از توان ورودی باشد: این موضوع به قانون پایستگی انرژی برمی‌گردد که طبق آن، اینورتر و مبدل نمی‌توانند توان خروجی‌ای بالاتر از توان ورودی‌شان داشته باشند و مقداری از انرژی به شکل گرمای عبور جریان برق از قطعات مختلف الکتریکی و الکترونیکی از بین می‌رود.  بازدۀ اینورتر در عمل بالای 90% است، گرچه فیزیک پایه به ما می‌گوید که همیشه مقداری انرژی -هرچند خیلی کم- در جایی هدر می‌رود!

اینورتر چگونه کار می‌کند؟

تاکنون نگاهی کلی و پایه‌ای به اینورترها انداخته‌ایم و الان دیگر وقت این شده که دوباره با نگاهی دقیق‌تر به سراغشان برویم.

تصور کنید یک باتری DC هستید و کسی روی شانه‌تان می‌زند و از شما می‌پرسد آیا می‌توانید به جای DC برق AC تولید کنید؟ چطور این کار را انجام خواهید داد؟ اگر همۀ جریانی که تولید می‌کنید در یک جهت خارج می‌شود، چطور است یک کلید ساده در پایۀ خروجی‌تان کار بگذارید؟ قطع و وصل کردن جریانتان با سرعت بالا پالس‌هایی از جریان مستقیم ایجاد می‌کند-که حداقل نصف کار را انجام می‌دهد. برای درست کردن جریان AC مناسب، به کلیدی احتیاج دارید که به شما اجازه بدهد جریان را کاملا برعکس کنید و این کار را حدود 60-50 بار در ثانیه انجام بدهید. فکر کنید یک باتری انسانی بودید که اتصالاتتان را بیش از 3000 بار در دقیقه عوض می‌کردید. برای این کار نیاز به مهارت فیزیکی بالایی در انگشتانتان داشتید!

در اصل، اینورترهای مکانیکی قدیمی، به زبان ساده متشکل از یک واحد سوئیچینگ (کلیدزنی) متصل به یک مبدل الکتریسیته هستند. ترانسفورمر قطعه‌ای الکترومغناطیسی است که با استفاده از دو سیم پیچ (که اولیه و ثانویه نامیده می‌شوند) و به دور یک هستۀ مشترک آهنی پیچیده شده‌اند، ولتاژ پایین AC را به ولتاژ بالای AC تبدیل می‌کند و برعکس. در یک مبدل مکانیکی، یا یک موتور الکتریکی و یا نوعی مکانیسم کلیدزنی اتوماتیک، جهت جریان مستقیم ورودی را به سادگی، با برعکس کردن اتصالات، متناوبا تغییر می‌دهد. این کار باعث می‌شود در ثانویه جریان متناوب ایجاد شود- بنابراین تفاوت چندانی با اینورتر تخیلی‌ای که بالاتر در موردش حرف زدم ندارد. قطعه‌ای که کار سوئیچینگ را انجام می‌دهد تا حدودی شبیه به زنگ در الکتریکی کار می‌کند. وقتی برق وصل می‌شود، با تولید نیروی مغناطیسی کلید را کشیده و برای زمانی بسیار کوتاه قطع می‌کند. یک فنر کلید را به جای اولش بر می‌گرداند، در این حالت کلید دوباره وصل می‌شود و این فرایند دوباره تکرار می‌شود -بارها وبارها.

انیمیشن: مفهوم پایۀ اینورتر الکترومغناطیسی. برق DC از طریق یک بشقاب چرخان (قرمز و آبی) با اتصالات متقاطع، به سیم‌پیچ اولیۀ (سیم‌های صورتی زیگ زاگ سمت چپ) یک ترانسفورمر چنبره‌ای (دونات قهوه‌ای) وارد می‌شود. همانطور که بشقاب می‌چرخد، متناوبا  اتصالات متصل به سیم‌پیچ اولیه را تغییر می‌دهد و به همین دلیل ترانسفورمر به جای ورودی DC، ورودی AC دریافت می‌کند. این ترانسفورمر ، یک ترانسفورمر افزایشی است که سیم‌پیچ ثانویه‌اش (زیگ زاگ زرد سمت راست) نسبت به اولیه دورهای بیشتری دارد و بنابراین یک ولتاژ AC کوچک ورودی را تقویت کرده و به ولتاژ AC خروجی بزرگتری تبدیل می‌کند. سرعت چرخیدن دیسک فرکانس خروجی AC را تعیین می‌کند. اکثر اینورترها اصلا به این شکل کار نمی‌کنند؛ این توضیحات فقط برای شرح سادۀ مفهوم اینورتر بود. خروجی اینورتری که به این شکل طراحی شده باشد موج مربعی بسیار خشنی خواهد بود.

 انواع اینورتر

اگر فقط یک جریان DC را قطع و وصل کنید، یا دائم بچرخانیدش تا جهتش مکررا تغییر کند، در نهایت تنها چیزی که به دست می‌آورید، تغییرات بسیار ناگهانی جریان است: کل جریان در یک جهت، کل جریان در جهت مخالف، و تکرار به همین شکل. اگر نموداری بر اساس جریان (یا ولتاژ) و زمان بکشید، یک موج مربعی به دست خواهید آورد. گرچه الکتریسیته‌ای که به آن شکل تغییر می‌کند، از نظر فنی جریان متناوب است، اما کاملا شبیه جریان متناوبی که در خانه‌هایمان داریم و به شکل یک موج سینوسی بسیار نرم‌تر تغییر می‌کند، نیست. به طور کلی برای وسایل برقی خانگی سنگینی که برق خام مصرف می‌کندد، (وسایلی مثل هیترهای برقی، لامپ‌های رشته‌ای، کتری برقی، یا یخچال) شکل موج ورودی چندان مهم نیست: تنها چیزی که این وسایل نیاز دارند مقدار زیادی انرژی است- برای همین هم موج‌های مربعی آزاری به آن‌ها نمی‌رسانند. از سوی دیگر، وسایل الکترونیکی ایرادگیرتر هستند و موج نرم‌تر سینوسی را به عنوان ورودی ترجیح می‌دهند.

این توضیح می‌دهد که چرا اینورترها در دو نوع به بازار آمدند: اینورترهای موج سینوسی خالص/درست[5] (که اغلب با حروف اختصاری PSW شناخته می‌شوند) و اینورترهای موج سینوسی اصلاح شده/شبه سینوسی[6] (که به اختصار MSW نامیده می‌شوند). اینورترهای خالص همانطور که از اسمشان پیداست، برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب آرام تغییر کنی بسیار شبیه به همان موج سینوسی اصلی نرمالی که در خانه‌هایمان داریم، از مبدل‌های چنبره‌ای (دونات شکل) ومدارهای الکترونیکی استفاده می‌کنند. می‌توان از این نوع اینورترها برای تغذیۀ هر نوع وسیلۀ برقی AC، مثل تلویزیون‌ها، کامپیوترها، بازی‌های ویدیویی، رادیو و استریوها، توسط یک منبع DC استفاده کرد. در مقابل، اینورترهای موج سینوسی اصلاح شده از قطعات الکترونیکی نسبتا ارزان قیمت (مثل تریستور، دیود، و سایر قطعات ساده) برای تولید نوعی موج مربعی “گرد شده”  (که شبیه موج سینوسی بسیار خشنی است) استفاده می‌کنند و گرچه در رساندن برق به وسایل الکتریکی سنگین خوب عمل می‌کنند، اما می‌توانند برای وسایل الکترونیکی ظریف (یا هرچیزی که کنترل کنندۀ الکترونیکی یا میکروپروسسوری دارد) مشکل ایجاد کنند واین کار را هم می‌کنند. پس آنچه گفته شد در کل به این معناست که این نوع اینورترها برای وسایلی مثل لپ‌تاپ، تجهیزات پزشکی، ساعت‌های دیجیتال، و لوازم خانگی هوشمند نامناسبند. در ضمن، اگر کمی در موردش فکر کنید، می‌بینید موج مربعی گرد شدۀ این اینورترها در مجموع نسبت به موج سینوسی خالص، توان کل بیشتری به وسایل منتقل می‌کنند (چون مساحت زیر نمودار یک مربع بیشتر از یک منحنی است). این موضوع اینورترهای اصلاح شده را به وسایلی با بازدهی کمتر و اتلاف توان بیشتر به شکل گرما، تبدیل کرده است که یعنی هنگام استفاده از اینورترهای MSW خطر بالارفتن بیش از حد دما وجود دارد. اما اگر بخواهیم نکات مثبتشان را ببینیم، این نوع اینورترها از اینورترهای خالص ارزان‌ترند.

تصویر: موج سینوسی اصلاح شده (MSW، به رنگ سبز) بیشتر از موج مربعی (نارنجی) شبیه به یک موج سینوسی است، اما هنوز هم تغییرات ناگهانی و شدید جریان را دارد. هرچه پله‌های موج سینوسی اصلاح شده بیشتر باشد، شکلش به فرم ایده‌آل موج سینوسی خالص نزدیک‌تر خواهد بود.

اگرچه بسیاری از اینورترها به عنوان واحدی مستقل، کاملا جدا از شبکه و با باتری کار می‌کنند، برخی از آن‌ها (که با نام اینورترهای تعاملی شبکه‌ای[7] یا اینورترهای متصل به شبکه[8] شناخته می‌شوند) به شکل خاص برای اینکه همیشه به شبکه متصل باشند ساخته شده‌اند؛ معمولا از این اینورترها برای فرستادن برق از چیزی مثل پنل خورشیدی به شبکه، با ولتاژ و فرکانس درست، استفاده می‌کنند. اگر هدف اصلی‌تان تولید برق برای خودتان باشد، این حالت مناسب است. اما اگر می‌خواهید گاهی از شبکه مستقل باشید و در صورت قطعی یک منبع برق پشتیبان داشته باشید، و خودتان هیچ‌گونه برقی تولید نمی‌کنید (مثلا شب است و پنل‎های خورشیدی‌تان غیرفعالند)، اینورتر هم با قطع برق خاموش می‌شود و بدون برق می‌مانید- دقیقا مثل بقیه، و تفاوتی ندارد که برقتان را خودتان تولید می‌کنید یا نه. به همین دلیل، بعضی از مردم از از اینورترهای دوجهته[9] استفاده می‌کنند که می‌تواند هم به شکل مستقل و هم متصل به شبکه کار کند (گرچه هردوی این حالت‌ها در یک زمان اتفاق نمی‌افتد). از آنجایی که این نوع اینورترها قطعات و بخش‌های بیشتری دارند، بزرگ‌تر و گران‌تر هستند.

عکس: نیکولا تسلا. اگرچه او بود که برندۀ نبرد جریان‌ها شد، اما هنوز هم رقیبش توماس ادیسون به عنوان پیشگام در زمینۀ برق در یادها مانده است. کنده کاری روی چوب از تسلا اثر سارونگ، 1906. با تشکر از کتابخانۀ کنگرۀ ایالات متحده.

اینورترها چه شکلی هستند؟

ممکن است اینورترها خیلی بزرگ و سنگین باشند- مخصوصا اگر برای این که بتوانند مستقل کار کنند، باتری داخلی داشته باشند. در ضمن اینورترها گرمای زیادی تولید می‌کنند که به همین دلیل هم هست که هم هیت سینک‌های بزرگ (پره‌های فلزی) و هم فن دارند. همانطور که در عکس بالا می‌بینید، مدل‌های معمولی‌شان تقریبا به اندازۀ یک باتری ماشین یا شارژر باتری ماشین هستند؛ واحدهای بزرگ‌تر تا حدی شبیه به چند باتری‌ ماشین که به شکل عمودی روی هم قرار داده شده باشند، به نظر می‌رسند. کوچکترین اینورترها جعبه‌های قابل حمل‌تری به اندازۀ رادیوی ماشین هستند که می‌توانید به فندک خودرویتان وصلشان کنید تا برای شارژ لپ‌تاپ با موبایلتان برق AC تولید کند.

همانطور که مصرف برق وسایل برقی با یکدیگر متفاوت است، برق تولیدی اینورترها هم با هم متفاوت است. معمولا برای اطمینان بیشتر، باید اینورتری انتخاب کنید که توانی حدود یک چهارم بیشتر از حداکثر توان وسیلۀ مورد نظرتان داشته باشد. با این کار در واقع این موضوع را در نظر گرفته‌ایم که بعضی از وسایل برقی (مثل یخچال و فریزر و لامپ‌های فلورسنت) در لحظه‌ای که روشن می‌شوند، حداکثر توان (پیک توان) را مصرف می‌کنند. با این که اینورترها قادر به تامین پیک توان برای مدتی کوتاه هستند، اما مهم است این نکته را هم در نظر بگیریم که اینورترها برای کار کردن به مدت طولانی در پیک توان طراحی نشده‌اند.

---

[1] direct current

[2] alternating current

[3] لابراتوار ملی انرژی‌های تجدید پذیر

[4] rectifier

[5] true/pure sine wave

[6] modified/quasi sine wave

[7] utility-interactive inverters

[8] grid-tied inverters

[9] birectional