אינוורטר Inverter מה זה ומה זה עושה?

יוסי לאור

המושג אינוורטר מוכר בשנים האחרונות בעיקר בהקשר למזגנים. הצמדת המונח "אינוורטר" למזגן מציינת שהספק הקרור או החימום של המזגן מווסת באופן רציף על ידי שינוי מהירות הסיבוב של המדחס.

למושג אינוורטר יש משמעות רחבה יותר. במאמר זה אדון באינוונטר בכלל, וביישומו עבור מזגנים בפרט.

מקור השם הוא באנגלית, INVERT שפרושו להמיר, לשנות, להחליף או להפוך כיוון. Inverse הוא הכינוי לפעולה מהפכת. ובהתאם האינוורטר הוא מכשיר המבצע החלפה או היפוך כזה. עיון במילונים מדעיים שונים מראה שימוש של המונח כמעט בכל תחום מדעי [1]

המילון האנגלי Meriam Webster Collegiate Dictionary מציין שהשימושים המקובלים במונח הם במתמטיקה לתאור של פעולה הופכית, למשל אם סינוס של 30 מעלות = 0.5 אזי האינוורס של סינוס 0.5 שווה ל-30 מעלות. בלוגיקה האינוורטר מתייחס לשער הלוגי NOT כך למשל האינוורט של 1 הוא אפס והאינוורט של אפס הוא 1 ובהתאם גם במערכות מחשבים [2] בחשמל האינוורטר הוא מכשיר הממיר (באנגלית converts) זרם ישר לזרם חילופין ההגדרה כזו, לגבי מערכות חשמליות מופיעה גם ב- The Penguin Dictionary of Electronics

לעומת זאת בספר Horowitz P., Hill W., The Art of Electronics, 2^nd ed. Cambridge University Press 1989 ISBN 0-521-37095-7 המונח INVERTER מתייחס למעגל החשמלי המיישם את השער הלוגי NOT.

מהגדרה דלעיל משתמע שהמכשיר החשמלי המדובר אמור היה להיקרא "קונוורטר". נראה שהסיבה לשינוי השם (בעצם היפוך השם) קשורה להיסטוריה של פיתוח הממירים. האמצעים הראשונים להמרה, בהספק גבוה, של זרם חילופין לזרם ישר, היו מכניים. מנוע חשמלי הסתובב במהירות המתאימה לתדר של הזרם שהניע אותו ופתח וסגר מפסקי חשמל באותו הקצב בו התחלף כיוון המתח במקור זרם, הפעלת אותו מכשיר עצמו באופן הפוך (Inverted) המירה זרם ישר לזרם חילופין [3]

האינוונטר החשמלי נקרא גם בשם : ממיר תדר או ווסת מהירות ובאנגלית Vaiable Frequency Drive, Adjustable Frequency Drive,

עם התפתחות הטכנולוגיה של שימוש במוליכים למחצה, ובמיוחד טרנזיסטורים ודיודות, הופיעו אינוורטורים יעילים ואמינים. השימוש הנפוץ ביותר של אינוונטר הוא לבקרת המהירות והמומנט של מנועי חשמל.

אמצעים וותיקים יותר לבקרת המהירות והמומנט של הנע חשמלי הם :

א. תמסורת מכנית, דומות לאלו באופניים עם הילוכים.

ב. תמסורות הידרוליות.

ג. שינוי המהירות והמומנט של מנוע החשמל על ידי הכנסת נגדים למסלול של זרם החשמל. מערכות כאלו מוכרות לנו ממכונות תפירה חשמליות, מאווררים קטנים, מקדחים של רופאי שיניים ועוד. ליד רגלה של התופרת או רופא השיניים נמצאת דוושה שהלחיצה עליה מקטינה או מגדילה את ערך הנגד המשתנה, עם עליית ההתנגדות יורד המתח למנוע, וכתוצאה יורדים המהירות והמומנט של המנוע, מכיוון ויחד עם ירידת המהירות יורד גם הכח האלקטרו-מניע של המנוע (Back EMF) , עולה הזרם במנוע והמנוע מתחמם. ככל שהמהירות נמוכה יותר - יורד כח המנוע, הזרם עולה, והנצילות של המנוע יורדת. כל עוד מדובר בהספקים קטנים, עשרות וואטים כפי שזה במכונת תפירה, במקדח של רופא שיניים או במאוורר ביתי, לחסרונות האלו משקל מועט. במאווררים או מפוחים הפועלים בסביבה שקטה, ירידת המומנט אינה פוגעת בתיפקוד כי המומנט הנדרש ע"י המפוח או המאוורר יורד עם ירידת המהירות (המומנט יחסי, בקירוב, לריבוע המהירות), לעומת זאת במדחס, כמו של מזגן, המומנט הנדרש כמעט ואינו יורד עם ירידת המהירות.

איך זה עובד ?

זרם החילופין מהרשת מיושר באמצעות גשר של 4 דיודות, או 4 מערכות של דיודות. בחשמל תלת-פאזי יהיו 6 דיודות. הזרם הישר מועבר דרך גשר דומה של 4 או 6 טרנזיסטורים (או טייריסטורים), המתפקדים כמפסקי חשמל, בעלי שני מצבים: פתוח וסגור. תזמון ההפעלה של אלו נשלט על ידי בקר אלקטרוני, באופן שפעם הזרם כולו מועבר מצד אחד של הגשר ואחר כך מהצד השני וחוזר חלילה. מהגשר יוצא זרם החשמל כך שהשינוי שלו על פני הזמן נראה כמו גל מרובע, פעם חיובי ופעם שלילי. תדר המעבר מגל חיובי לגל שלילי נשלט על ידי הבקר האלקטרוני. הפעלת הבקר נקבעת לפי צרכי המערכת. מהירות הסיבוב נקבעת לפי התדירות בה מתחלף הגל ממצב חיובי למצב שלילי, המומנט נקבע על ידי שינוי משך הזמן בו מועבר הזרם בכל אחד מהמחזורים. הבקר של האינוונטר אינו מעביר את כל מה שמגיע אליו, אלא פולסים של זרם לזמנים קצרים כך שהשפעתם מסתכמת לצורת גל [4]. משך הזמן בו מועבר כל פולס, נקרא בשם רוחב הפולס, והוא הקובע את כמות האנרגיה המועברת בכל שלב ולפיכך את המומנט של המנוע. האינוורטר מסנן את הזרם היוצא ממנו כך שלא יהיו קפיצות מתח לא רצויות, או ניצוצות, ופעולת המנוע תהיה יציבה. הסינון מושג באמצעות הפיקוד על הטרנזיסטורים ובאמצעות קבלים וסלילים.

יישומים של אינוורטר חשמלי

1. המרה ממקורות זרם ישר כגון: סוללות, תאי-דלק, פנלים סולריים, לזרם חילופין באותו התדר והמתח כמו זה המסופק ע"י יצרן החשמל, וזאת לצורך הפעלת מכשירים שתוכננו לעבוד במתח המסופק ע"י יצרני החשמל. שימוש חשוב הוא במערכות אל-פסק (UPS), אלו בנויות מסוללות הנטענות ע"י מיישר זרם. כאשר יש הפסקת חשמל, הזרם מהסוללה מומר לזרם חילופין באמצעות אינוורטר, ובזכות זאת יכול מכשיר, המצויד ב- UPS, להמשיך לעבוד.

2. המרת זרם ישר שמקורו בקווי מתח גבוה של זרם ישר. הובלת אנרגיה חשמלית בזרם ישר כרוכה בפחות הפסדים מאשר הובלת זרם חילופין, נבנו בשנים האחרונות קווי מתח גבוה המעבירים אנרגיה חשמלית, בזרם ישר, מתחנות-הכח למרחק של מאות ק"מ. בקצה הקו נמצאים אינוורטורים הממירים את המתח הזה לזרם חילופין, המתאים לרשתות החלוקה המקומיות.

3. כלי רכב חשמליים, כגון טויוטה פריוס והונדה היבריד. האנרגיה החשמלית להנעת הרכב, מאוחסנת בסוללות ומומרת לזרם חילופין בתדר המתואם עם מהירות הרכב.

4. הגברת מתח. הדרך היעילה והזולה ביותר להגביר מתח היא באמצעות טרנספורמטור, אולם זה יכול לעבוד רק עם זרם חילופין ולכן מכשירים הניזונים מזרם ישר, וזקוקים למתח גבוה כוללים בתוכם אמצעי להמרת הזרם הישר לזרם חילופין. שני מכשירים נפוצים :

4.1.מסכי LCD זקוקים למתח גבוה עבור התאורה שברקע של ה- LCD , ולכן בתוך מחשבים ניידים נמצא אביזר הנקרא CCFL Inverter הממיר את הזרם הישר מסוללת המחשב לזרם חילופין ומגביר אותו עבור תאורת הרקע של ה- LCD

4.2. מערכת ההצתה במנועי בנזין. המצת זקוק למתח של כ- 15 אלף וולט להצתת תערובת הדלק עם האויר. הגברת המתח נעשית ע"י המרתו לזרם חילופין בתדר השווה למהירות סיבוב המנוע מוכפלת במספר הצילינדרים. במנוע 4 פעימתי ההכפלה היא במחצית מספר הצילינדרים.

5. הפעלת מנועי חשמל במהירות ובמומנט לפי דרישה. הדבר מושג בשני שלבים, הראשון יישור זרם החילופין המגיע מחברת החשמל לזרם ישר ואח"כ המרת הזרם הישר לזרם חילופין בתדר המתאים למהירות הסיבוב הנדרשת . היישום הזה נפוץ כבר עשרות שנים בעיקר עבור מנועי משאבות, מפוחים, מעליות ועוד, משמש כיום גם לכלי עבודה חשמליים. האינוונטר מועיל במיוחד במכשירים בהם הורדת המהירות אינה מורידה את המומנט הנדרש.

6. מיזוג אויר. שימוש באינוורטר למערכות מיזוג אויר, החל באמצע שנות ה-80 של המאה ה-20

יתרונות השימוש באיוורטר (למה זה טוב ? ומה בונים עם זה ?)

אינוורטר במערכות בנין משמש בעיקר להפעלה של משאבות ומפוחים, שני אלו לרוב לא במערכות מיזוג, וכן להפעלת מנועים של מדחסי מיזוג אויר.

התועלת בשימוש באינוורטר

1. הפעלת המנוע במהירות ובמומנט הנדרש, ולא יותר, משפר את יעילות הפעולה של המנוע [5] מביאה לחסכון בעלות החשמל. ויסות ההספק של משאבה או מדחס ע"י ברז גורם לבזבוז אנרגיה.
2. האינוונטר מאפשר התנעה הדרגתית של המנוע (התנעה רכה) [6] ובהתאם גם כיבוי רך.
3. אי אחידות בהספקת החשמל המתבטאת בקפיצות מתח, מתוקנת ע"י האינוורטר.
4. ויסות ע"י כיבוי והדלקה (On-Off) גורמת לאי יציבות [7] של הזרימה במקרה של משאבה, או לאי יציבות של הטמפרטורה במקרה של מזגן. אם קיבול החום, המסה התרמית, בחלל הממוזג היא גדולה אזי בדרך כלל הטמפרטורה תהיה יציבה, אולם אם המזגן פועל בחלל בעל מסה נמוכה, למשל מבנה בבנייה קלה, המזגן עלול לעבוד באופן לא יציב.
5. הקטנת בלאי, רעש והלמים במערכת בעלת הספק גבוה הפועלת בתנאים של דרישה נמוכה. למשל, משאבה שהיא מספיק חזקה כדי לענות על הצורך המירבי, בבנין מגורים, להגברת הלחץ בקומות העליונות וגם לכיבוי אש, תהיה בשימוש רגיל רועשת מדי, תפעל בתדירות גבוהה לזמנים קצרים, תגרום להלמי מים, וייגרם לה בלאי גבוה. במערכת הסקה עם משאבת On-Off יש קפיצות לחץ הגורמות לבלאי בברזים ובצנרת. האינוונטר מאפשר להפעיל את המשאבה בהספק חלקי, בהתאם לצרכים בכל רגע ורגע.

חסרונות

1. יקר יותר.

2. ניצולת מירבית נמוכה יותר בכמה אחוזים. בתנאי פעולה בהם רוב הזמן המדחס פועל במלוא התפוקה או שפעולה באופן של כבוי-דולק (On-Off) אינה מפריעה לתפקוד מזגן, אזי מזגן רגיל יהיה חסכוני יותר מאשר אינוורטר.

3. בלאי יקר של רכיבים אלקטרוניים. כתוצאה מכך המצב כיום בשוק המיזוג הוא שמשך האחריות למזגן אינוורטר אינו ארוך מזה של מזגן רגיל, משום שמחיר החלקים מקזז את היתרון הנובע מבלאי מועט.

מקורות

1 The Oxford Dictinary of Biology

The Penguin Dictionary of Chemistry

The Penguin Dictionary of Geology

אסתי אנגל, לקסיקון מפה: ביולוגיה, הוצאת מפה 2007.

2 The Penguin Dictionary of Microprocessors

3 באתר www.dself.dsl.pipex.com ראה MUSEUM ושם ראה MECHANICAL RECTIFICATIO

המכשיר המכני הזה יכול היה להיות מופעל בצורה הפוכה (באנגלית inverted) ואז להמיר זרם ישר לזרם חילופין.

4 הטכניקה נקראת בשם Pulse Width Modulation

5 נוראי שגיב, ניהול וייעול צריכת החשמל במערכות הנע, עמ` 12 עד 22

http://www.israel-electric.co.il/Static/WorkFolder/Professionals/alon_maarchot_hanaa.pdf

6 נוראי שגיב, חיבור מנועים לרשת החשמל , עמוד 4

http://www.israel-electric.co.il/Static/WorkFolder/Professionals/hibur_m...

7 דוד פסן, ויסות אוטומטי, מכלול 1985. עמוד 2-3.

יוסי לאור

מהנדס מערכות. המוטו שלי: מהנדס טוב, לא יודע כלום, ולא צריך לדעת כלום. כאשר לפניו נושא הנדסי, הוא יודע כיצד למצוא את המידע הרלוונטי, ללמוד, להבין וליישם באופן מוצלח.

yf.laor@gmail.com