What is Inverter ?

      
      ปัจจุบันอินเวอร์เตอร์ได้พัฒนาไปอย่างรวดเร็ว และมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย ในภาคอุตสาหกรรม ซึ่งหลายท่านได้ใช้ได้เข้าไปเกี่ยวข้องแต่ไม่ทราบว่าอินเวอร์เตอร์คืออะไร และมีพื้นฐานการทำงานอย่างไร  
 ... ดังนั้นวัตถุประสงค์ของเอกสารนี้ จึงเรียบเรียงขึ้นเป็นแนวทางเพื่อช่วยให้ผู้ใช้งานอินเวอร์เตอร์ ได้เกิดความเข้าใจหลักการพื้นฐานของอินเวอร์เตอร์เพิ่มขึ้น และเป็นประโยชน์ในการเรียนรู้เกี่ยวกับอินเวอร์เตอร์ในระดับสูงในโอกาสต่อไป

• อินเวอร์เตอร์คืออะไร ?

 อินเวอร์เตอร์ (inverter) หรือเรียกว่า เอซีไดร์ฟ (AC drives) คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้สำหรับควบคุมความเร็วรอบ ของมอเตอร์เหนี่ยวนำหรือเอซีมอเตอร์ (ซึ่งบางครั้งก็ถูกเรียกว่า "อะซิงโครนัส หรือมอเตอร์แบบกรงกระรอก")

• ความเร็วรอบสามารถควบคุมได้อย่างไร ?
  เนื่องจากความเร็วรอบของอินดัคชั่นมอเตอร์ หรือมอเตอร์เหนี่ยวนำ จะเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับสมการความเร็วรอบหรือสมการซิงโครนัส-สปีดดังต่อไปนี้     
     

       จากสมการสมซิงโครนัส-สปีดจะเห็นว่าความเร็วรอบของมอเตอร์สามารถปรับเปลี่ยนได้ 2 เส้นทางคือ
         1.  เปลี่ยนจำนวนขั้วแม่เหล็ก (P) และ
         2. เปลี่ยนแปลงความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า ( f  )

      ดังนั้นหากความถี่กระแสไฟฟ้ามีค่าคงที่คือ 50 Hz. ( หรือ 60 Hz.ในบางประเทศ เช่นอเมริกา ) ความเร็วรอบของมอเตอร์  แต่ละตัวก็จะมีความเร็วรอบที่แตกต่างกัน โดยขึ้นอยู่กับจำนวนขั้วแม่เหล็กของมอเตอร์แต่ละตัว ซึ่งสามารถสรุปได้ตามตารางดังนี้             
 

  
 
จากตารางสรุปความสัมพันธ์ของความเร็วรอบของมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วแม่เหล็กที่แตกต่างกันจะเห็นว่า วิธีการควบคุมความเร็วรอบด้วยการเปลี่ยนจำนวนขั้วแม่เหล็กนั้น ความเร็วจะเปลี่ยนแปลงไปครั้งละมาก ๆ เช่น เปลี่ยนจาก 3000 รอบต่อนาที ไปเป็น 1500 รอบต่อนาที  หรือจาก 1500 รอบต่อนาที ไปเป็น3000 รอบต่อนาที ( กรณีเปลี่ยนจากการต่อแบบ  2 ขั้วแม่เหล็กไปเป็นการต่อแบบ 4 ขั้วแม่เหล็ก หรือจาก 4 ขั้วแม่เหล็กลดลงมาเหลือ 2 ขั้วแม่เหล็ก) ซึ่งการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบในลักษณะนี้ความเร็วรอบที่เปลี่ยนแปลงจะไม่ละเอียด ,ทำได้เฉพาะในขณะที่ไม่มีโหลด และที่สำคัญคือต้องใช้มอเตอร์ที่ออกแบบพิเศษที่สามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนขั้วแม่เหล็กได้เท่านั้น ทำให้ไม่เหมาะสมกับความต้องการของงานในหลาย ๆประเภทที่ต้องการควบคุมความเร็วรอบในขณะมีโหลดเพื่อให้ความเร็วเหมาะสมกับความเร็วของกระบวนการผลิต  ดังนั้นในกระบวนการผลิตทั่วไปจึงนิยมใช้อินเวอร์เตอร์ในการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์มากกว่าเนื่องจากสามารถควบ คุมให้มอเตอร์ด้วยความเร็วคงที่  ปรับความเร็วรอบไปที่ความเร็วต่าง ๆ ได้อย่างรวดเร็วและมีความเที่ยงตรงมากกว่า
 

• อินเวอร์เตอร์ทำงานอย่างไร?
    จากรูปบล็อคไดอะแกรมพื้นฐานอย่างง่ายๆ ของอินเวอร์ จะประกอบด้วยส่วนที่สำคัญ ๆ และมีการทำงานดังนี้
   

•  Rectifier  circuit:
    วงจรเรกติไฟเออร์ หรือวงจรเรียงกระแส :  ทำหน้าที่แปลงผันหรือเปลี่ยนจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง วงจรประกอบด้วย เพาเวอร์ไดโอด 4 ตัว กรณีที่อินพุทเป็นแบบเฟสเดียว หรือมีเพาเวอร์ไดโอด 6 ตัว กรณีที่อินพุตเป็นแบบ 3 เฟส ดังรูป ( สำหรับอินเวอร์เตอร์บางประเภทจะใช้ SCR ทำหน้าที่เป็นวงจรเรกติไฟเออร์ซึ่งทำให้สารมารถควบคุมระดับแรงดันในวงจร ดีซีลิ๊งค์ได้)

• DC link :
     ดีซีลิ๊งค์ หรือ วงจรเชื่อมโยงทางดีซี  คือวงจรเชื่อมโยงระหว่างวงจรเรียกกระแสและวงจรอินเวอร์เตอร์ (ซึ่งจะอธิบายในหัวข้อถัดไป) ซึ่งจะประกอบด้วยแคปปาซิเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ พิกัดแรงดัน ไฟฟ้า 400 VDC หรือ 800 VDC โดยขึ้นอยู่กับแรงดันอินพุตว่าเป็นแบบเฟสเดียวหรือ 3 เฟส  ทำหน้าที่กรองแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ได้จากวงจรเรียงเรกติไฟเออร์ให้เรียบยิ่งขึ้น และทำหน้าที่เก็บประจุไฟฟ้า ขณะที่มอเตอร์ทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในช่วงสั้นเนื่องจาการเบรคหรือมีการลดความเร็วรอบลงอย่างรวดเร็ว (สำหรับกรณีที่ใช้งานกับโหลดที่มีแรงเฉื่อยมาก ๆ และต้องการหยุดอย่างรวดเร็ว จะเกิดแรงดันสูงย้อนกับมาตกคร่อมแคปปาซิเตอร์และทำให้ แคปปาซิเตอร์เสียหาย ได้ ดังนั้นในทางปฏิบัติจะมีวงจรชอปเปอร์โดยต่อค่าความต้านอนุกรมกับทรานซิสเตอร์ และต่อขนานกับแคปปาซิเตอร์ไว้ โดยทรานซิสเตอร์จะทำให้ที่เป็นสวิตซ์ตัดต่อควบคุมให้กระแสไหลผ่านค่าความต้านทานเพื่อลดพลังงานที่เกิดขึ้น
   

• Inverter circuit :
   วงจรอินเวอร ์ คือส่วนที่ทำหน้าที่แปลงผันจากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (ที่ผ่านการกรองจากวงจรดีซีลิ๊งค์) เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ วงจรจะประกอบด้วยเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์กำลัง 6 ชุด (ปัจจุบันส่วนใหญ่จะใช้ IGBT) ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์ตัดต่อกระแสไฟฟ้าเพื่อแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ โดยอาศัยเทคนิคที่นิยมใช้กันทั่วไปคือ PWM (Pule width modulation)
   

• Control circuit :
    วงจรควบคุม จะทำหน้าที่รับข้อมูลจากผู้ใช้เช่น รับข้อมูลความเร็วรอบที่ต้องการเข้าไปทำการประมวลผล และส่งนำเอาท์พุทออกไปควบคุมการทำงานของทรานซิสเตอร์เพื่อจ่ายแรงดันและความถี่ให้ได้ความเร็วรอบและแรงบิดตาม ที่ผู้ใช้งานต้องการ   
   

• ทำไมจึงต้องแปลงผันจาก ดีซีเป็น เอซี และแปลงผันกลับจากดีซีเป็นเอซีอีกครั้ง ?  (คำถามที่พบบ่อย)
      เนื่องจากการแปลงจากเอซีไปเป็นเอซี โดยตรงเลยนั้น ความถึ่ทางด้านเอาท์พุตจะได้สูงสดไม่เกินความถี่ทางด้านอินพุต ทำให้ไม่สามารถควบคุมความเร็วมอเตอร์ให้มีความเร็วมากกว่าความเร็วที่บอกไว้บนแผ่นป้ายของมอเตอร์ แต่การเปลี่ยนจาก เอซี ไปเป็น ดีซี และแปลงกลับมาเป็น เอซี อีกครั้งจะทำให้อินเวอร์เตอร์สามารถสร้างความถี่ได้สูงกว่าความถี่ทางด้านอินพุต