Nasza historia

Jak działa falownik i jaka jest jego budowa?

Falownik, znany również jako przemienniki częstotliwości, to urządzenie elektryczne, które dokonuje konwersji prądu stałego na prąd przemienny o możliwej do regulowania częstotliwości wyjściowej. Ma zastosowanie w sterowaniu prędkością obrotową silników elektrycznych, co przyczynia się do optymalizacji wydajności i oszczędności energii w różnych aplikacjach.

W tym artykule przyjrzymy się bliżej zasadom działania falownika oraz jego budowie. Poznamy, jak dokładnie falownik przekształca napięcie prądu i częstotliwość zasilania, aby kontrolować prędkość obrotową silnika elektrycznego. Ponadto dowiemy się, z jakich głównych komponentów składa się falownik oraz jakie są ich funkcje i znaczenie dla właściwego działania tego urządzenia.

Budowa falownika

Przemiennik częstotliwości opiera się na czterech głównych elementach: prostowniku, stopniu pośrednim, stopniu końcowym oraz układzie sterowania i zabezpieczeń. Początkowym elementem jest prostownik, który otrzymuje zasilanie z jednej lub trzech faz napięcia przemiennego (AC) i przekształca je w pulsujące napięcie stałe (DC). Prostowniki mogą być niesterowalne lub sterowalne.

Stopień pośredni różni się w zależności od konstrukcji, ale ogólnie wyróżnia się trzy jego rodzaje. W pierwszym zamienia napięcie wyprostowane na prąd stały. W drugim stabilizuje i wygładza pulsujące napięcie stałe poprzez usunięcie składowej przemiennego z napięcia wyprostowanego. Trzeci stopień pośredni generuje napięcie o regulowanej wartości. W komponencie tym znajdują się również kondensatory elektrolityczne, które magazynują energię prądu stałego.

Z kolei w stopniu końcowym generowana i kształtowana jest częstotliwość napięcia zasilającego silnik. Znajdują się tu tranzystory mocy, które są przełączane przez sygnały sterujące pochodzące z układu sterowania i zabezpieczeń.

Falownik składa się również z modułu sterowania i zabezpieczeń: Poprzez współpracę tych elementów falownik jest w stanie precyzyjnie kontrolować prędkość obrotową silnika elektrycznego poprzez regulację częstotliwości i napięcia zasilania.

Rodzaje falowników

Ze względu na sposób sterowania falowniki można podzielić na dwie główne kategorie: skalarne i wektorowe. Obydwa te rodzaje falowników różnią się pod względem swoich specyficznych cech, które decydują o ich funkcjonalności. Główna różnica między polega na liczbie obsługiwanych silników.

Falownik skalarny ma zdolność sterowania nawet kilkoma jednostkami naraz, podczas gdy falownik wektorowy może obsługiwać tylko jedno urządzenie jednocześnie. Oba rodzaje falowników znajdują zastosowanie w różnych obszarach przemysłu, w tym w napędach wentylatorów, pomp, przenośników, a także w systemach klimatyzacyjnych i chłodniczych.

Wektorowe

Falowniki wektorowe wyróżniają się zaawansowanym algorytmem sterowania, który pozwala na precyzyjną regulację prędkości obrotowej i kontrolę nad momentem obrotowym silnika. Główną cechą falowników wektorowych jest ich zdolność do pracy z częstotliwością zależną od częstotliwości znamionowej silnika.

Proces sterowania wektorowego charakteryzuje się oddzieleniem sterowania momentem od strumienia uzwojenia w silniku, co prowadzi do wysokiej dokładności regulacji prędkości. Falowniki te mogą pracować również w trybie skalarnym, jednak do pełnej funkcjonalności sterowania wektorowego konieczna jest identyfikacja modelu podłączonego silnika.

W trybie wektorowym możliwe jest utrzymanie stałej wartości momentu obrotowego w całym zakresie regulacji prędkości, co umożliwia osiągnięcie momentu znamionowego nawet przy niskich częstotliwościach. Inwertery te często wykorzystywane tam, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola prędkości i momentu obrotowego, na przykład w systemach CNC czy w przemyśle lotniczym.

Skalarne

Natomiast falownik skalarny operuje na zasadzie algorytmu sterowania U/f. Jest to typ przemiennika częstotliwości, który reaguje na prędkość obrotową w wyniku zmiany częstotliwości napięcia zasilającego silnik. W celu kontroli prędkości obrotowej, falownik skalarny wykorzystuje zmiany częstotliwości napięcia dostarczanego do uzwojeń silnika.

Aby utrzymać względnie stały moment obrotowy, następuje proporcjonalna zmiana wartości napięcia na zaciskach silnika w odpowiedzi na zmiany częstotliwości. Praca skalarnego przemiennika częstotliwości jest ograniczona do dostarczania napięcia o ustalonej częstotliwości na zaciski silnika.

Jednak zjawisko poślizgu, wynikające z różnicy między prędkością obrotów wału silnika a prędkością wirowania pola w silniku, powoduje, że obrotowa prędkość wału silnika nie jest ściśle proporcjonalna do częstotliwości. Dlatego precyzyjne dopasowanie prędkości obrotowej do zmian częstotliwości nie zawsze jest możliwe.

Falowniki skalarne są stosowane w mniej wymagających zastosowaniach, gdzie nie jest konieczna tak precyzyjna kontrola prędkości i momentu obrotowego, na przykład w napędach przenośników taśmowych czy wentylatorów.

Jak działa falownik?

Podstawową zasadą działania falowników jest konwersja prądu przemiennego na prąd stały poprzez wykorzystanie prostowników, które zamieniają sinusoidalny sygnał przemienny na stały. Następnie, w celu uzyskania zmiennej częstotliwości, napięcie stałe jest poddawane procesowi modulacji szerokości impulsów (PWM). W tej fazie, falownik kontroluje szerokość impulsów generowanych przez przemiennik, co umożliwia regulację częstotliwości napięcia wyjściowego.

Dzięki temu procesowi falownik może dynamicznie dostosowywać prędkość obrotową silnika do bieżących potrzeb bez wpływu na jego moment obrotowy. Jest to kluczowe, szczególnie w aplikacjach, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola prędkości, na przykład w systemach transportu, przemysłowych maszynach obróbczych czy w systemach wentylacji i klimatyzacji.

Każdy falownik jest wyposażony w zaawansowany system sterowania, który umożliwia regulację prędkości obrotowej poprzez zmianę częstotliwości napięcia (oznaczanego jako f), proporcjonalnie do wartości napięcia (oznaczanego jako U). W praktyce oznacza to, że zmieniając wartość napięcia, falownik odpowiednio modyfikuje częstotliwość napięcia, co prowadzi do regulacji prędkości silnika.

Co istotne, te zmiany mogą być dokonywane za pomocą sygnału sterującego, który może być zarówno analogowy, jak i cyfrowy. Dzięki temu obsługa falownika jest znacznie ułatwiona, a operator może szybko i precyzyjnie dostosować parametry pracy silnika do aktualnych potrzeb produkcji. Dodatkowo, możliwość sterowania za pomocą sygnału cyfrowego pozwala na integrację falownika z systemami automatyzacji, co jeszcze bardziej zwiększa elastyczność i wydajność procesów przemysłowych.

Do czego służy inwerter?

Inwertery są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach. Nowoczesne falowniki można spotkać w następujących instalacjach:

  • Urządzenia gospodarstwa domowego – w niektórych urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak pralki, lodówki czy wentylatory, falowniki mogą być wykorzystywane do regulacji prędkości silnika elektrycznego.
  • Napędy przemysłowe – w przemyśle inwertery są używane w różnych aplikacjach, takich jak przenośniki taśmowe, pompy, wentylatory czy urządzenia obróbcze. Wykorzystywane są zarówno do obsługi silników jednofazowych, jak i trójfazowych.
  • Klimatyzacja i ogrzewanie – inwertery są stosowane również do kontroli prędkości obrotowej kompresora klimatyzatora.
  • Instalacje fotowoltaiczne – w instalacjach PV falowniki służą do konwersji prądu stałego wytwarzanego przez panele słoneczne na prąd zmienny, który można użyć do zasilania urządzeń elektrycznych w budynkach lub przesyłać do sieci elektroenergetycznej.
  • Elektromobilność – w przypadku pojazdów elektrycznych, inwerter konwertuje energię przechowywaną w baterii na napięcie i częstotliwość odpowiednie dla silnika elektrycznego.

Przeczytaj również: