การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (Inverter)

การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ Inverter

บทนำ

ระบบการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์

รูปที่ 1 หลักการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์

เห็นได้ว่าก่อนที่ผู้ใช้งานจะนำพลังงานจากแสงอาทิตย์ไปใช้ จำเป็นต้องแปลงไฟฟ้าเสียก่อน โดยพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ดังนั้นเมื่อใช้งานจำเป็นต้องแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นกระแสสลับ จึงต้องมาพิจารณา ”อินเวอร์เตอร์” การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ นิยมเรียกกันว่าอินเวอร์เตอร์ (Inverters) ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลง หรือควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้า และความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับได้ อินเวอร์เตอร์ได้นำไปใช้ประโยชน์ต่างๆได้ เช่น
1. แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับสำรอง เมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับหลักเกิดขัดข้องขึ้น ที่เรียกกันว่า Stand-by Power supplies หรือ Uninteruptible Power Supplies โดยเรียกย่อๆ ว่า UPS ใช้เป็นระบบไฟฟ้าสำรองสำหรับอุปกรณ์ที่สำคัญๆ เช่น คอมพิวเตอร์ เมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับหลักเกิดขัดข้อง Transfer Switch ซึ่งทำงานด้วยความเร็วถึง 1/1000 วินาที จะต่ออุปกรณ์เข้ากับอินเวอร์เตอร์จ่ายไฟกระแสสลับให้แทน โดยแปลงจากแบตเตอรี่ซึ่งประจุไว้ ขณะที่มีแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับหลัก

2. ใช้ควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับ โดยการเปลี่ยนความถี่ เมื่อความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับเปลี่ยนแปลง ความเร็วของมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงตามสมการ N=120f/N โดยที่ N = ความเร็วรอบต่อนาที,f = ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าต่อวินาที และ P = จำนวนขั้วของมอเตอร์ ในการควบคุมนี้ถ้าต้องการแรงบิดคงที่ จะต้องรักษาให้อัตราส่วนของแรงดันต่อความถี่ที่จ่ายเข้ามอเตอร์คงที่ด้วย

3. ใช้แปลงไฟฟ้าจากระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงชนิดกระแสตรง ให้เป็นชนิดกระแสสลับ เพื่อจ่ายให้กับผู้ใช้
4. ใช้ในเตาถลุงเหล็กที่ใช้ความถี่สูง ซึ่งใช้หลักการเหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็กทำให้ร้อน ( Induction Heating )

การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ

ความแตกต่างระหว่างสวิตซ์ทางกลและไทริสเตอร์สวิตซ์

รูปที่ 2

ในรูป 2 ถ้าให้สวิตซ์ (S1, S'2) และ (S2, S'1) ทำหน้าที่ปิดและเปิดสลับกันไป จะได้รูปคลื่นของเอาต์พุทโวลเตจ e0 และ กระแสโหลด i0 ดังรูปที่ 5.1ข ดังนั้นวงจรในรูป 2 จึงจัดเป็นสแควร์เวฟอินเวอร์เตอร์ชนิดหนึ่ง
ในทางปฏิบัติสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์นั้นจะใช้ไทริสเตอร์สวิตซ์แทนสวิตซ์ทางกล ไทริสเตอร์สวิตซ์จะมีข้อแตกต่างกับสวิตซ์ทางกลดังนี้
1. กระแสจะไหลเพียงทิศทางเดียวเท่านั้น
2. ไม่สามารถจะหยุดการนำกระแสได้ด้วยตัวเอง
3. ถ้าต้องการให้ไทริสเตอร์หยุดนำกระแสนั้น จะต้องมีรีเวอร์สโวลเตจคร่อมไทริสเตอร์ช่วงเวลาขณะหนึ่ง

ข้อควรคำนึงถึงเกี่ยวกับโครงสร้างของอินเวอร์เตอร์

เพื่อเป็นแนวทางหลักสำหรับการพิจารณาว่าสวิตซ์ทางกลสามารถแทนได้ด้วยไทริสเตอร์ได้อย่างไรนั้น จะขออธิบายจากรูปที่ 3 โดยจะมาลองพิจารณาดูว่าจุดไหนบ้างที่ควรคำนึงถึง ซึ่งจุดที่คำนึงถึงเหล่านี้จะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการกำหนดโครงสร้างของอินเวอร์เตอร์

รูปที่ 3

รูปที่ 4

การหยุดนำกระแส

ในรูปที่ 3 นั้น ในระหว่างครึ่งไซเคิลบวกซึ่ง Th1 กำลังนำกระแสอยู่นั้น คาพาซิเตอร์ C'1 จะถูกชาร์จไว้ที่โวลเตจ E และจะมีกระแส i0 ไหลผ่านโหลดในขณะนี้ ถ้าให้ Th'1 นำกระแสในอันดับต่อไป e'c1 จะปรากฏคร่อม L'1 และอาศัยหลักการทำงานของหม้อแปลงแท็ป e'c1 = E จะปรากฏคร่อมขอลวด L1 ด้วย ดังนั้น Th1 จะได้รับรีเวิร์ส โวลเตจเท่ากับ -E ทำให้ Th1 OFF จะเห็นได้ว่าด้วยวิธีการที่ใช้นี้แม้ Th1 จะไม่สามารถหยุดการนำกระแสได้ด้วยตัวเองก็ตาม แต่อาศัยความช่วยเหลือของ L, C ก็สามารถหยุดการนำกระแสได้ เราเรียก C นี้ว่า คอมมิวเทติงคาพาซิเตอร์ เรียก L ว่า คอมมิวเตติงรีแอกเตอร์ และพลังงานที่ใช้เป็นตัวกลางสำหรับการคอมมิวเตตนี้ว่า คอมมิวเตติงเอนเนอร์ยี ซึ่งในกรณีนี้คือค่า CE2/2

รีเวิร์สไบแอส

1. ในรูปที่ 4 สำหรับกรณีที่กระแส i ไหลออกจากจุดกึ่งกลางระหว่าง C1 และ C'1 กระแสจำนวนนี้จะมาจากกระแสที่ไหลผ่าน C1 และ C'1 อย่างละครึ่งพอดี ทั้งนี้เพราะ E มีค่าคงที่ ส่วนที่เพิ่มขึ้นของโวลเตจ ec1 เท่านั้นที่จะต้องเท่ากับส่วนที่ลดลงของโวลเตจ e'c1
2. ในรูปที่ 3 ขณะที่ Th1 นำกระแส พลังงาน Li02/2 ของ L1 สำหรับกรณีที่ L1 และ L'1 มีการเชื่อมต่อกันอย่างดีแล้ว จะมีการเคลื่อนย้ายถ่ายเทไปสู่ L'1 ด้วยค่าคงที่เท่าเดิม นั่นคือ กระแสซึ่งไหลผ่าน Th1 จะย้ายไปสู่ Th'1 ในทันทีทันใดด้วยค่าจำนวนเท่าเดิม
3. โดยปกติช่วงเวลาระหว่างการคอมมิวเตท จะใช้เวลา 10 us ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่สั้นมาก ในกรณีที่โหลดเป็นอินดัคทีฟถือว่ากระแส i0 ในช่วงเวลานี้มีค่าคงที่

กระแสไหลได้สองทิศทาง

เมื่อ e'c1 = 0 ได้ ec1 = E ทำให้ D'1 ON และ ic1 = i'c1 = 0 กระแสโหลด i0 จะไหลผ่าน D'1, D1 เพื่อเริ่มทำหน้าที่ป้อนกลับรีแอกทีฟเพาเวอร์ขณะมีโหลดกลับเข้าซัพพลาย ดังนั้นแม้ว่า Th'1 จะให้กระแสไหลได้เพียงทิศทางเดียวก็ตาม เมื่ออาศัย D'1 ด้วยแล้วก็สามารถให้กระแสไหลได้อีกทิศทางหนึ่งในช่วง ( ~ (+( ดังรูปที่ 5.1ข รวมเป็น 2 ทิศทาง

คอมมิวเทติงเอนเนอร์ยี

จากที่ได้กล่าวไว้แล้วจะเห็นได้ว่า พลังงานสำหรับ L'1 คือ
ขณะมีโหลด L'1i02/2 + CE2
ขณะไร้โหลด CE2
พลังงานส่วนนี้จะสูญเสียไปใน Th'1, D'1 ในรูปของความร้อน และ Th'1 จะนำกระแสไปเรื่อยๆ จนกว่าพลังงานสูญเสียนี้จะหมดไป ทันทีที่พลังงานส่วนนี้เป็น 0 Th'1 ก็จะ ON อีกครั้ง
จะเห็นได้ว่าในการแทนสวิตซ์ทางกลด้วยไทริสเตอร์นั้น จะเป็นต้องมีคอมมิวเตติงเอนเนอร์ยีเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย สำหรับตัวอย่างที่กล่างนี้พลังงานดังกล่าวจำสูญเสียไปหมดในรูปความร้อน ในกรณีที่สามารถป้อนกลับพลังงานส่วนนี้กลับเข้าซัพพลาย ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ก็จะสูงขึ้น

การแบ่งชนิดของอินเวอร์เตอร์

อินเวอร์เตอร์มีชนิดต่างๆ ด้วยกันมากมายจนอาจหาที่สิ้นสุดไม่ได้ ยกตัวอย่างเช่น อินเวอร์เตอร์ที่ให้หม้อแปลงเพื่อวัตถุประสงค์ในการลดจำนวนไทริสเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์ซึ่งมี L ต่อแทรกซัพพลายเพื่อวัตถุประสงค์ของการทำให้กระแสที่ออกจากซัพพลายมีค่าคงที่ ในช่วงระหว่างการคอมมิวเทต (อินเวอร์เตอร์แบบกระแสคงที่) เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้ว เราอาจแบ่งชนิดของอินเวอร์เตอร์ออกตามคุณสมบัติหรือโครงสร้างของวงจรได้ดังนี้
1. แบ่งตามวิธีการป้อนพลังงานกลับเข้าซัพพลาย
1.1 Self Excite ( อนุกรม/ ขนาน )
1.2 Separatly Excite
2. แบ่งตามวิธีการซึ่งทำให้พลังงานคอมมิวเทติงหายไป
2.1 แบบป้อนกลับเข้าซัพพลาย
2.2 แบบไม่ป้อนกลับเข้าซัพพลาย
3. แบ่งตามคุณสมบัติของเอาท์พุท
3.1 พิจารณาจากลักษณะคลื่น

• แบบสเแควร์เวฟ
• แบบไซน์เวฟ

3.2 พิจารณาจากจำนวนเฟส

• แบบ 1 เฟส
• แบบ 3 เฟส

3.3 พิจารณาจากย่านความถี่

• แบบความถี่ต่ำ
• แบบความถี่สูง

3.4 พิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงความถี่

• แบบความถี่คงที่
• แบบความถี่ปรับเปลี่ยนได้

3.5 พิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงโวลเตจ

• แบบโวลเตจคงที่
• แบบปรับเปลี่ยนโวลเตจได้