جریان ورودی و خروجی اینورتر | محاسبه توان اینورتر

محاسبه توان اینورتر

محاسبه توان اینورتر یکی از مراحل کلیدی در انتخاب یک اینورتر مناسب برای تجهیزات الکتریکی است که تأثیر مستقیمی بر عملکرد، بهره‌وری انرژی و طول عمر دستگاه دارد. توان اینورتر باید متناسب با توان مصرفی بار (وات یا کیلووات)، نوع بار (القایی یا مقاومتی) و شرایط کاری مانند اضافه‌بار و راه‌اندازی موتورهای الکتریکی انتخاب شود. یک محاسبه دقیق کمک می‌کند تا از خرابی زودهنگام، افت ولتاژ، اضافه‌بار و افزایش مصرف انرژی جلوگیری شود. در ادامه، به آموزش گام‌به‌گام محاسبه توان اینورتر می‌پردازیم تا بتوانید انتخابی دقیق و بهینه داشته باشید.

مفاهیم پایه در محاسبه توان اینورتر

مفاهیم پایه در محاسبه توان اینورتر شامل شناخت توان مصرفی بار (وات یا کیلووات)، ضریب توان، نوع بار (القایی یا مقاومتی) و راندمان اینورتر است. توان نامی اینورتر باید حداقل برابر یا بیشتر از توان مورد نیاز تجهیزات باشد تا بتواند عملکرد پایدار و ایمن را تضمین کند. در بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی، به دلیل نیاز به جریان راه‌اندازی بالا، اینورتر باید ظرفیت تحمل اضافه‌بار (معمولاً 1.5 تا 2 برابر توان موتور) را داشته باشد. علاوه بر این، ولتاژ و فرکانس خروجی اینورتر باید متناسب با نیاز تجهیزات باشد تا از افت کارایی و آسیب به دستگاه‌ها جلوگیری شود. در ادامه، به نحوه محاسبه دقیق توان اینورتر بر اساس نوع کاربرد و پارامترهای فنی می‌پردازیم.

مراحل محاسبه توان مورد نیاز اینورتر 

• مرحله اول: تعیین توان مصرفی تجهیزات متصل

اولین گام در انتخاب اینورتر مناسب، محاسبه توان مصرفی تجهیزات متصل است. این توان معمولاً روی پلاک مشخصات دستگاه‌ها درج شده و بر حسب وات (W) یا کیلووات (kW) بیان می‌شود. در صورتی که توان دستگاه را به آمپر (A) و ولتاژ (V) داشته باشید، می‌توانید از فرمول P = V × I × PF برای محاسبه توان استفاده کنید که در آن PF (ضریب توان) معمولاً بین 0.8 تا 1 در نظر گرفته می‌شود. دقت در این مرحله اهمیت بالایی دارد، زیرا مقدار نادرست می‌تواند منجر به انتخاب اینورتر با توان نامناسب شود.

•  مرحله دوم: در نظر گرفتن ضریب اطمینان و اضافه‌بار

پس از مشخص کردن توان تجهیزات، باید ضریب اطمینان و اضافه‌بار را در محاسبات لحاظ کرد. در تجهیزات القایی مانند الکتروموتورها، هنگام راه‌اندازی، جریان اولیه بالایی کشیده می‌شود که ممکن است 1.5 تا 2 برابر توان نامی موتور باشد. برای جلوگیری از آسیب به اینورتر و عملکرد نامناسب دستگاه، باید توان اینورتر را حداقل 1.5 برابر توان نامی بار در نظر گرفت. این ضریب اطمینان باعث افزایش طول عمر اینورتر و جلوگیری از افت ولتاژ یا خاموشی ناگهانی می‌شود.

• مرحله سوم: محاسبه جریان و ولتاژ مورد نیاز

در گام نهایی، جریان و ولتاژ مورد نیاز اینورتر را محاسبه می‌کنیم. اگر تجهیزات شما با برق تک‌فاز (220V) یا سه‌فاز (380V) کار می‌کنند، باید اینورتر متناسب با آن را انتخاب کنید. جریان مورد نیاز تجهیزات را می‌توان از فرمول P = V × I × PF استخراج کرد و مطمئن شد که جریان خروجی اینورتر برابر یا بیشتر از مقدار محاسبه‌شده باشد. همچنین، در انتخاب اینورتر باید به فرکانس کاری (Hz) و نوع بار (مقاومتی یا القایی) نیز توجه کرد. در نهایت، انتخاب اینورتر با توان مناسب و راندمان بالا منجر به عملکرد پایدار و جلوگیری از آسیب‌های احتمالی خواهد شد.

در ادامه این مقاله به محاسبه جریان و ولتاژ اینورتر میپردازیم.

هنگام اندازه گیری جریان ورودی و خروجی اینورتر، برخی افراد با مقادیر جریان خوانده شده در سمت ورودی در مقابل سمت خروجی مبهوت می شوند. اغلب اوقات، جریان خروجی بیشتر از جریان ورودی خواهد بود!! از آنجایی که بازده اینورتر کمتر از 100٪ است، جریان خروجی باید کمتر از جریان ورودی باشد که این برخلاف دانش مرسوم است. این مقاله موقعیت‌هایی را توضیح می دهد که می‌توانید انتظار داشته باشید جریان بیشتری را در سمت خروجی اینورتر در مقایسه با سمت ورودی مشاهده کنید.

چند اصل اساسی وجود دارد که قبل از ادامه باید بدانیم:

1- موتورها با ضریب توان تاخیری (PF) کار می کنند. این بدان معناست که موتور توان راکتیو (var) را مصرف می کند. هنگامی که موتور به شبکه برق وصل می شود، شبکه توان راکتیو لازم را برای کار به موتور می دهد. این توان راکتیو برای تولید میدان مغناطیسی دوار در داخل استاتور موتور استفاده می شود و هیچ کار مفیدی (وات) انجام نمی دهد.

2- هنگامی که یک درایو (VFD) نصب می شود. اساساً سیستم قدرت را به سه قسمت جداگانه جدا می کند:

• یکسوسازی سمت ورودی - تبدیل AC به DC 
• ذخیره سازی انرژی DC در خازن 
• معکوس کردن سمت خروجی - تبدیل DC به AC

3- هنگامی که موتور به اینورتر (به سمت خروجی درایو) متصل می شود، موتور اساساً از شبکه برق جدا می شود. این بدان معناست که توان راکتیو لازم برای کارکرد موتور باید از خود درایو تامین شود.
4- توان راکتیو مورد نیاز برای مغناطیس کردن سیم پیچ های موتور معمولاً با سرعت تغییر نمی‌کند و مقدار نسبتاً ثابتی است.
5- قدرت واقعی مورد نیاز برای راه اندازی موتور (جریان تولید کننده گشتاور) با سرعت متفاوت است. گشتاور را کم کنید، جریان کمتر خواهد شد.
6- کل توان وارد شده به درایو است که باید با توان خروجی درایو مقایسه شود (منهای توان از دست رفته در عملیات درایو). مقایسه جریان بین ورودی و خروجی مقایسه درستی نیست.

جریان اجزا در اینورتر

جریان ورودی اینورتر

جریان ورودی از شبکه برق به اینورتر دارای یک جزء است:

جریان واقعی که گشتاور یا کار مفید تولید می کند (وات)

جریان ورودی اینورتر جریان واقعی است که کار مفید یا گشتاور تولید می کند.

I_inputvfd=I_r

جریان خروجی اینورتر

جریان خروجی از اینورتر به موتور دارای دو جزء است:

1. جریان واقعی که گشتاور یا کار مفید تولید می کند (watt)
2. جریان راکتیو که میدان مغناطیسی در موتور ایجاد می کند (var)

مجموع جریان خروجی (Ioutputvfd) از درایو، جذر مجموع مجذورهای هر دو جریان واقعی (Ir) و جریان راکتیو (Iq) خواهد بود.

I_outputvfd=√(I²_r+I²_q)

جریان واقعی (Ir) توسط شبکه الکتریکی و جریان راکتیو (Iq) توسط خازن باس DC در داخل اینورتر تامین می شود. از معادلات بالا می توان دریافت که جریان خروجی اینورتر می تواند بزرگتر از جریان ورودی باشد. برای درایوها و موتورهای با اندازه کوچکتر، تفاوت در اندازه جریان ممکن است قابل توجه نباشد، اما برای درایوهای بزرگتر این تفاوت بیشتر خواهد بود. جریان واقعی و راکتیو در داخل اینورتر I_r جریان واقعی و I_q جریان راکتیو است.

محاسبه جریان ورودی و خروجی اینورتر

اگر ضریب قدرت موتور و گشتاور بار یا KW را بدانیم، می توانیم جریان خروجی از اینورتر را با دقت معقولی محاسبه کنیم. برای شروع، بیایید یک مثال واقعی بزنیم. تصویر زیر مشخصات یک درایو 37 کیلوواتی را نشان می دهد. جریان خروجی پیوسته 72 آمپر است که برای یک درایو 37 کیلووات طبیعی است، در حالی که جریان تغذیه تنها 58 آمپر است.

بنابراین، دلیل این تفاوت چیست؟ آیا درایو جریان باقیمانده را خودش تولید می کند؟! نه مطمئنا، این دستگاه یک مبدل است نه یک ژنراتور. آیا اینورتر معجزه می کند؟ من مطمئن هستم که شما این را در مارک های دیگر نیز خواهید یافت، بنابراین اینطور نیست.

پاسخ درست در پشت خازن های داخل درایوها نهفته است. همانطور که همه ما می دانیم، هر اینورتر دارای یک لینک DC متشکل از خازن هایی است که امواج DC تبدیل شده ورودی را صاف می کند. علاوه بر آن، آنها همچنین مشهورترین نقش خود را در صنایع برق ایفا می کنند.

محاسبه و فرمول جریان فعال در اینورترها

جبران توان راکتیو مصرفی بارهای القایی مانند یک موتور القایی. بنابراین چگونه این ارتباط با جریان خروجی درایو بیشتر از ورودی آن است؟ بیایید چند عملیات ریاضی ساده انجام دهیم. فرض کنید یک موتور 37kW-72A به اینورتر 37kW ما متصل است. همچنین فرض کنید ضریب توان آن 0.8 است. بخش جریان فعال به سادگی تعیین می شود:

I_active=I×cosⱷ=72×0.8=58A

این موتور در مجموع 72 آمپر جریان ظاهری مصرف می کند. حدود 58 آمپر از این مقدار کل به تولید توان واقعی (فعال) موتور اختصاص داده شده است و باید توسط شبکه تامین شود.

بنابراین، درایو تنها به برق واقعی 58 آمپر در ورودی خود نیاز دارد. مقدار باقی مانده مربوط به مدار القایی مغناطیسی موتور است که توسط خازن های لینک DC جبران می شود. این مقدار را نیز می توان به راحتی با قوانین ضریب توان محاسبه کرد.

I_reactive=I×sinⱷ=72×0.6=42A

تصویر زیر نمای کلی خوبی از جریان های درگیر در این فرآیند ارائه می دهد.

توان راکتیو

لازم به ذکر است که توان راکتیو در واقع توسط خازن ها "تولید" نمی شود، بلکه "جبران" می شود. یعنی یک اینورتر (یا خازن های داخل آن) نمی تواند توان راکتیو تولید کند، همانطور که نمی تواند توان اکتیو تولید کند.

درایو در این فرآیند فقط به عنوان مبدل/ معکوس کننده عمل می کند. آنچه اتفاق می افتد فقط یک بازی از چرخه های فعلی جایگزین است. در واقع، یک عنصر خازنی در نیمه اول یک نیم چرخه توان راکتیو تولید می کند و در نیمه دوم به مقدار مساوی از آن را مصرف می کند.

بنابراین، تولید/مصرف توان کلی یک خازن در طول نیم سیکل صفر است. در مقابل، سلف ها دقیقاً رفتار مخالف دارند. آنها توان راکتیو را در نیمه اول نیم چرخه مصرف می کنند و در نیمه دوم آن را تولید می کنند. بنابراین، خازن و موتور فعل و انفعالات واکنشی خود را از طریق چرخه های AC جبران/خنثی می کنند. به همین دلیل است که ما گاهی اوقات آن را قدرت خیالی می نامیم که کاملاً درست نیست.

واقعیت مورد بحث؛ یعنی بیشتر بودن جریان خروجی از جریان ورودی معمولاً برای درایوهایی صادق است که خازن های پلی پروپیلن دارند و هارمونیک کمتری به شبکه وارد می کنند. این مورد در مورد اکثر اینورتر های موجود در بازار صادق نیست. در واقع بیشتر درایوها با خازن های الکترولیتی که ارزان تر هستند اما دارای مقادیر هارمونیک بالاتری هستند که معمولاً جریان ورودی بیشتری را به همراه دارند تولید می شوند. در نتیجه، هارمونیک ها نیز باید به عنوان نقش آفرین دیگری در محاسبات ما در نظر گرفته شوند.

سوالات متداول

اگر توان اینورتر کمتر از توان موتور باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

اگر اینورتر کوچک‌تر از حد نیاز انتخاب شود، با سه مشکل اصلی روبرو می‌شوید:
داغ شدن بیش از حد: اینورتر برای تأمین جریان مورد نیاز موتور تحت فشار قرار می‌گیرد.
خطای اضافه‌بار (Overload): به محض شروع به کار موتور یا زیر بار رفتن آن، اینورتر خاموش شده و خطای جریان می‌دهد.
کاهش طول عمر: قطعات الکترونیکی داخلی مثل IGBTها به سرعت مستهلک شده و هزینه‌ی تعمیرات سنگینی به شما تحمیل می‌کنند.

چطور توان مورد نیاز اینورتر را برای یک موتور محاسبه کنیم؟

ساده‌ترین راه، استفاده از اطلاعات روی پلاک موتور است. اما به دلیل جریان راه‌اندازی بالا در موتورها، نباید اینورتر را دقیقاً هم‌اندازه با توان موتور انتخاب کرد.
فرمول ساده: توان موتور (kW) را در عدد ۱.۵ ضرب کنید. مثلاً برای یک موتور ۱۱ کیلووات، بهتر است اینورتری با توان حدود ۱۵ کیلووات انتخاب کنید تا در هنگام شروع به کار یا فشار سنگین، دستگاه دچار خطا (Error) یا سوختگی نشود.

چرا جریان خروجی اینورتر از جریان ورودی آن بیشتر است؟ آیا اینورتر انرژی تولید می‌کند؟

خیر، اینورتر انرژی تولید نمی‌کند. دلیل این اتفاق «خازن‌های داخلی» دستگاه هستند. موتور برای کار کردن به دو نوع جریان نیاز دارد: یکی برای چرخاندن شفت (جریان واقعی) و دیگری برای ایجاد مغناطیس (جریان راکتیو). وقتی اینورتر نصب می‌کنید، خازن‌های داخلی آن وظیفه تأمین جریان مغناطیس‌کننده را به عهده می‌گیرند. در نتیجه، شبکه برق ورودی فقط جریان لازم برای چرخش (کار مفید) را می‌فرستد، اما خروجی اینورتر هر دو جریان را به موتور تحویل می‌دهد. به همین دلیل عدد آمپر خروجی بزرگ‌تر دیده می‌شود.

ضریب توان (PF) چه نقشی در انتخاب اینورتر دارد؟

ضریب توان نشان‌دهنده این است که چه مقدار از جریان مصرفی واقعاً صرف کار مفید می‌شود. در موتورهای الکتریکی این عدد معمولاً حدود ۰.۸ است. هنگام محاسبه توان، اگر فقط ولتاژ و آمپر را دارید، حتماً باید آن‌ها را در ضریب توان ضرب کنید تا توان واقعی (وات) به دست بیاید. نادیده گرفتن این ضریب باعث می‌شود اینورتری ضعیف‌تر از نیاز واقعی‌تان بخرید.