Wszystko, co musisz wiedzieć o falownikach

Co to jest falownik?

To bardzo ogólne pytanie, szczególnie w dobie dynamicznie rozwijającej się fotowoltaiki. Dotychczas słowo „falownik” było mocno utożsamiane z przemiennikiem częstotliwości, stosowanym do sterowania prędkością obrotową silników elektrycznych. Obecnie słowo „falownik” przylgnęło mocno do fotowoltaiki i takie rozumienie tego pojęcia jest zdecydowanie bardziej poprawne.

Falownik solarny rzeczywiście jest falownikiem, natomiast przemiennik częstotliwości to już nie do końca tylko falownik – to zdecydowanie coś więcej.

Zadaniem falownika jest przemiana prądu stałego w prąd zmienny. I właśnie to dzieje się w układach instalacji fotowoltaicznej – panele generują prąd stały, a falownik zamienia go na jedną bądź trzy fazy po 230 V.

W przypadku przemiennika częstotliwości zarówno na wejściu, jak i na wyjściu, mamy prąd zmienny, tylko o innej częstotliwości. Co na to wpływa? Otóż w przemienniku częstotliwości, oprócz falownika, mamy takie podzespoły jak:

• Prostownik – to przemiennik częstotliwości, podłączony do zacisków prądu zasilającego. Na podstawie trzech faz napięcia zmiennego generuje on napięcie stałe, niezbędne do dalszej pracy całego urządzenia. Napięcie to ma charakterystykę sinusoidy o niewielkiej amplitudzie i średniej wartości równej napięciu wyjściowemu prostownika.
• Układ pośredni – to układ, którego zadaniem jest przede wszystkim wygładzenie napięcia wyprostowanego dwupołówkowo i przekazanie go do falownika.
• Falownik – zgodnie ze wspomnianą wcześniej definicją, jest to urządzenie, które zamienia napięcie stałe w regulowane napięcie zmienne o zadawanej przez użytkownika częstotliwości, zasilające silnik elektryczny.
• Układ sterowania – składa się on z interfejsu użytkownika oraz z płytki logicznej. Umożliwia sterowanie przemiennikiem częstotliwości przez operatora i realizuje odpowiednie obliczenia matematyczne i logiczne.
• Układ zabezpieczeń – chroni przemiennik częstotliwości oraz sieć, do której jest on podłączony, a także silnik elektryczny przed przeciążeniami, skokami napięcia czy przebiciami.

Jeżeli chcesz zgłębić ten temat, zapraszamy do naszego artykułu, w którym wyjaśniamy dokładnie, co to jest falownik i czym różni się on od przemiennika częstotliwości:

Co to jest falownik a co to jest przemiennik częstotliwości? Co ma z tym wspólnego motor i motocykl?

Czy istnieją falowniki do silników?

Odpowiadając wprost – i tak, i nie. Wprawdzie powyżej wyjaśniliśmy, że stwierdzenie to nie jest do końca prawidłowe, niemniej jednak w praktyce jest ono bardzo szeroko stosowane. Biorąc pod uwagę, że tak naprawdę falownik jest częścią składową przemiennika częstotliwości, otrzymujemy bardzo przystępne uproszczenie.

Tak więc w Internecie napotkasz słowo „falowniki” zarówno w odniesieniu do silników jak i do fotowoltaiki – bądź zatem uważny/a przy poszukiwaniach, bo falownik do fotowoltaiki to zupełnie co innego, niż falownik do silnika elektrycznego!

Czym jest falownik do fotowoltaiki? Na co zwrócić uwagę przy jego doborze?

Sugerując się nazwą, łatwo pomylić falownik do silnika z falownikiem do fotowoltaiki. Często też wyglądają one bardzo podobnie, co dodatkowo utrudnia rozpoznanie. Dlatego trzeba być tutaj czujnym, gdyż są to zupełnie inne urządzenia.

Falowniki fotowoltaiczne są sercem przydomowych instalacji fotowoltaicznych. Można powiedzieć, że nowoczesne falowniki stanowią takie małe centrum dowodzenia, które oprócz zamiany prądu stałego z paneli na prąd przemienny „do gniazdka” odczytują i przesyłają całą paletę parametrów: temperaturę, parametry prądowe, kondycję instalacji fotowoltaicznej itp.

Na co zwrócić uwagę przy ich doborze? Przede wszystkim na rodzaj instalacji fotowoltaicznej. Rozróżniamy 3 rodzaje sieci:

• On-grid (sieciowe) – podłączone do instalacji dostawcy prądu, gdzie przesyłane są nadwyżki w produkcji prądu;
• Off-grid – gdzie instalacja podłączona jest do prywatnego magazynu energii;
• Hybrydowe – gdzie oprócz magazynu energii instalacja jest też wpięta w instalację dostawcy energii elektrycznej.

Co kupić, oprócz samego przemiennika częstotliwości?

Bardzo rzadko się o tym mówi, ale praktycy dobrze wiedzą, że falownik do silnika powinien być wyposażony w pewne akcesoria. Co można dokupić do falownika?

Rezystor hamujący

Najważniejszym akcesorium jest rezystor hamujący. Nie jest on wprawdzie wymagany i falownik oczywiście może bez niego funkcjonować, jednak taki rezystor może uratować falownik przed uszkodzeniem podczas hamowania lub gwałtownych manewrów.

Gdy falownik wyhamowuje, pojawia się prąd wsteczny, który musi znaleźć gdzieś ujście. Podstawowy rezystor hamujący jest wbudowany w falownik, nie mniej jednak jego opór nie wytrzyma takich sytuacji jak hamowanie awaryjne lub nagły zwrot czy też redukcja prędkości – doprowadzi to do spalenia falownika. Dlatego warto pamiętać o rezystorze hamującym.

Filtry wejściowe i wyjściowe

Kolejnym przydatnym akcesorium są filtry wejściowe i wyjściowe. Czasem są one wymagane przez projektantów instalacji, innym razem potrzeba ich zastosowania wychodzi w trakcie użytkowania. Filtry, w bardzo dużym uproszczeniu, stabilizują zasilanie falownika lub silnika.

Jeżeli falownik lub silnik działa niepoprawnie, posiada duże wahania, jest niedokładny, za wolno pracuje, nie rozwija pełnej mocy – to znak, żeby rozważyć zastosowanie filtrów.

Dławiki

Dławiki stosuje się w sporadycznych przypadkach, kiedy kable pomiędzy silnikiem a falownikiem rozciągają się na duże odległości. Mowa tutaj o długościach rzędu 50 i więcej metrów. Dzięki dławikom niwelujemy problemy powstające w sieci w związku ze zbyt długim przewodem.

Jest to sporadyczny przypadek, gdyż aktualnie zdecydowanie odchodzi się od trendu oddalania silnika od falownika. Już teraz bardzo popularnym rozwiązaniem jest montowanie falowników nawet bezpośrednio na silniku.

Karty rozszerzeń

Nowym trendem, który szybko zyskuje na popularności, jest rozbudowanie falowników o karty rozszerzeń. Dzięki temu rozwiązaniu można niektóre modele wzbogacić o dodatkowe protokoły komunikacyjne, wejścia i wyjścia lub funkcje takie jak obsługa enkodera czy łączność Wi-Fi.

Jakie są rodzaje falowników do silnika elektrycznego?

Wiesz już, czym są falowniki do silników elektrycznych. Rozwińmy nieco ten temat. Poniżej przedstawiamy jeden z głównych podziałów – ze względu na zasilanie silnika i sposób jego sterowania.

Podstawowym podziałem falowników jest podział na zasilanie silnika. Wyróżniamy zasilanie jednofazowe, bądź trójfazowe. Tutaj pojawia się pierwsza pułapka, na którą można się natknąć podczas doboru falownika. Otóż może być on jednocześnie jednofazowy i trójfazowy. Jak to możliwe?

Otóż „fazy” w nazwie falownika mogą dotyczyć zarówno zasilania silnika, jak i samego falownika. Czyli, podążając za wcześniejszym przykładem, falownik może być zasilany z jednej fazy 230V, więc jest jednofazowy, ale także może zasilać silnik trójfazowy, który ma 3x230V – więc jest też trójfazowy.

Jaki z tego wniosek? Trzeba być bardzo uważnym! Weryfikuj zawsze, czy fazy falownika dotyczą jego wyjścia czy wejścia, ponieważ falowniki do silników jednofazowych są bardzo rzadko spotykane i można narazić się na niepotrzebny wydatek.

Falownik skalarny i falownik wektorowy

Oprócz źródła zasilania, falowniki dzielimy przede wszystkim ze względu na sposób sterowania. Pod tym względem wyróżniamy falowniki skalarne oraz wektorowe.

Falownik skalarny

Falownik ze sterowaniem skalarnym (z algorytmem U/f) jest stosowany w prostych aplikacjach, gdzie nie jest wymagana dokładna regulacja prędkości obrotowej oraz nie ma „ciężkiego rozruchu”, czyli obciążenie od startu nie ma dużej bezwładności. Jego działanie opiera się na utrzymywaniu stałego stosunku U/f, czyli częstotliwości i napięcia skutecznego zasilającego silnik. Stosowany jest głównie w urządzeniach takich, jak wentylatory i pompy.

Falownik wektorowy

Falowniki ze sterowaniem wektorowym dzielą się na sterowane bezczujnikowe i ze sprzężeniem zwrotnym.

W sterowaniu bezczujnikowym prędkość obrotowa obliczana jest na podstawie modelu matematycznego silnika elektrycznego, bez użycia dodatkowego czujnika. W ofercie produktowej ASTOR dostępne są falowniki wektorowe bezczujnikowe.

W przypadku przemienników ze sprzężeniem zwrotnym, sterowanie odbywa się na podstawie pomiaru aktualnej wartości prędkości, mierzonej przez enkoder inkrementalny, zamontowany na wale silnika.

Więcej o falownikach do silników elektrycznych i ich podziałach, przeczytasz w tym arytkule:

4 rodzaje falowników, które każdy automatyk znać powinien

Falownik do silnika czy softstart?

Skoro wiesz już, czym są falowniki do silników i jak je rozróżnić, to warto żebyś poznał/a także softstart, który często stosowany jest jako alternatywa dla falownika.

Softstart to urządzenie elektroniczne, które ogranicza prąd rozruchowy silnika. Właściwe na tym jego rola się kończy. Oczywiście pojawiają się opcje dodatkowe, np. ograniczenie czasu rozruchu, natomiast jego główna funkcja to start silnika w taki sposób, aby nie pojawiły się przeciążenia. Nie ma tu mowy o sterowaniu strumieniem.

W przypadku falownika, a właściwie przemiennika częstotliwości, mówimy już nie tylko o kwestii rozruchu, ale także o sterowaniu częstotliwością (co przekłada się na sterowanie prędkością obrotową silnika) podczas normalnej pracy silnika.

Jeśli porównywać softstart z falownikiem przy rozruchu, to w przypadku tego pierwszego nie możemy osiągnąć tak dużego momentu. Dzięki falownikowi możesz wystartować silnik pod dużym obciążeniem.

Falownik do pompy lub wentylatora – na co zwrócić uwagę?

Przejdźmy teraz do konkretnych przykładów. Jednym z popularnych zastosowań falowników silnikowych jest sterowanie pompą lub wentylatorem. Funkcje te są często traktowane zbiorczo, ponieważ ich charakterystyka i zapotrzebowanie są bardzo zbieżne.

W związku z tym, często można usłyszeć o specjalnych funkcjach czy też całych falownikach wentylatorowo/pompowych. Co je wyróżnia na tle normalnych falowników?

Funkcja „Lotny start”

Dzięki włączeniu funkcji „Lotny start” przemiennik częstotliwości najpierw wykrywa prędkość i kierunek obrotów wirnika, a następnie rozpoczyna napędzanie silnika z częstotliwością dostosowaną do aktualnej prędkości wirnika. Jest to niezwykle przydatne w tych aplikacjach, gdzie zatrzymanie układu napędowego trwa długo i realizowane jest wybiegiem lub tam, gdzie napęd napędzany jest przez inne medium np. wentylator poruszany siłą wiatru.

Funkcja „Tryb uśpienia”

„Tryb uśpienia” falownika sprawdza zadaną częstotliwość pracy układu. Jeśli jest ona mniejsza od dolnego limitu częstotliwości, który jest zadany w parametrach przetwornicy, zasilanie silnika zostanie odcięte, pozostawiając go na wolnym wybiegu. Gdy częstotliwość zadana zostanie ponownie osiągnięta i utrzymana przez określony czas, przemiennik automatycznie powróci do normalnego trybu pracy. Przyczynia się to do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej oraz napędu.

Regulator PID

Regulatory PID są powszechnie stosowanym układem w systemach automatyki. Służą do płynnej regulacji m.in. przepływu, ciśnienia czy temperatury, pracując w pętli sprzężenia zwrotnego. Składają się z trzech członów:

P – proporcjonalnego, który wzmacnia sygnał uchybu;

I – całkującego, który całkuje sygnał uchybu, kompensując akumulację sygnału z przeszłości (neutralizuje zakłócenia);

D – różniczkującego, który różniczkuje uchyb, kompensując przewidywane uchyby (blokuje sygnał, aby nie narastał zbyt szybko).

Sygnał sterujący jest więc sumą sygnałów przetworzonych przez te człony.

Sterowanie kaskadą pomp

Załóżmy, że posiadamy jeden falownik regulujący ciśnienie przepływu w układzie. Zaistniała sytuacja w systemie spowodowała tak duży pobór wody, że nie jest on w stanie utrzymać odpowiedniego ciśnienia za pośrednictwem wyłącznie jednej pompy (pompy podstawowej), która pracuje na pełnych obrotach. Falownik otrzymuje sygnał z czujnika pomiarowego, iż wymagany przepływ nie został osiągnięty. Zostaje załączone pierwsze wyjście przekaźnikowe, które włącza bezpośrednio do sieci pierwszą pompę pomocniczą.

W tym samym czasie nasz przemiennik częstotliwości steruje prędkością pompy podstawowej. Po włączeniu wyjścia przekaźnikowego pierwsza pompa pomocnicza pracuje na pełnych obrotach, a dodatkowa potrzeba zwiększania ciśnienia wody jest regulowana za pomocą pompy podstawowej, zasilanej przez przemiennik częstotliwości. W efekcie przepływ, wytworzony za pomocą obu pomp pracujących w danym, momencie zwiększa się płynnie.

Więcej o falownikach i funkcjach wentylatorowo-pompowych znajdziesz w tym artykule:

Falownik do pompy lub wentylatora – na jakie funkcje zwrócić uwagę?

Kiedy można zastosować falownik o niższej mocy?

Równie dobrze można by zapytać: „Kiedy można zaoszczędzić na falowniku?” lub „Jak nie przepłacić za niewykorzystaną moc przemiennika częstotliwości?”. Rzeczywiście, w niektórych przypadkach można to zrobić. I to bez szkody dla jakości systemu sterowania silnikiem.

Przede wszystkim należy zidentyfikować obiekt, którym steruje silnik. Jeśli tym obiektem jest wentylator lub pompa – mamy dobrą wiadomość: spokojnie można użyć falownika Astraada DRV-26, który jest o rząd wielkości niższy. Czyli zamiast przemiennika o mocy 5.5 kW, użyjemy mocy 4 kW lub zamiast 132 kW użyjemy 110 kW.

Dlaczego tylko dla pomp i wentylatorów?

W przypadku pomp i wentylatorów podczas normalnej pracy nie występują przeciążenia, tak jak w innych układach. W efekcie, przy zmiennym momencie obciążenia (czyli np. przy wentylatorach i pompach), można używać przemiennika o rząd wielkości niższego. Minimalna moc wyjściowa, by można było z takiej opcji skorzystać to 5.5 kW, w sytuacji gdy stosujemy 4 kW falownik Astraada DRV-26.

W innych przypadkach nie polecamy wykorzystywania falowników o rząd mniejszych, bo może to skończyć się awarią, a nawet przepaleniem urządzeń.

Dobieranie falownika do aplikacji przemysłowej – na co zwrócić uwagę?

Skoro znamy już różnice, podstawowe funkcje i rodzaje falowników do silników, pora rozważyć ich dobór do konkretnej aplikacji.

Tutaj wiele zależy od tego, w jaki sposób chcesz wykorzystać falownik – czy zależy Ci na prostym sterowaniu obrotami silnika, czy też potrzebujesz wkomponować go w cały system automatyki przemysłowej. W pierwszym przypadku przeważnie wystarczy odpowiednie dopasowanie mocy i poboru prądu, a także napięcia zasilania. Tak więc, skupimy się na drugim, bardziej zaawansowanym przypadku.

W sytuacji doboru falownika pod cały system, kwestie prądowo-napięciowe to jedynie początek. Oprócz tego koniecznie trzeba wziąć pod uwagę: rodzaj obciążenia – czy jest ono zmienne w czasie i jak się rozkłada; komunikację – jakie standardy są wykorzystywane w układzie; układ wejść/wyjść – jak falownik ma sygnalizować swoją pracę i czym ma być sterowany; wymiary falownika – tak, aby wpasować go w szafę sterującą; akcesoria – należy rozważyć czy potrzebne będą filtry, rezystory czy moduły hamujące.

Wszystko to dokładnie rozpisaliśmy w tym materiale:

Jak dobrać falownik do aplikacji przemysłowej?

Standaryzacja układów falownikowych – czy to jest ważne?

Mówiąc o standaryzacji mamy tutaj na myśli wybór konkretnego producenta na cały system falownikowy. Falowniki do silników są bardzo popularne i relatywnie niedrogie w porównaniu do innych elementów układów automatyki. W związku z tym bardzo często nie przykłada się wagi do producenta oraz modelu, tylko weryfikuje się, czy dany falownik swoimi parametrami i funkcjami wpasowuje się w instalacje. Czy to dobrze?

Jest kilka powodów, dla których warto zwrócić uwagę na budowanie systemów falownikowych w oparciu o jednego producenta. Przekłada się to głównie na zwiększenie ergonomii, bezpieczeństwa i uproszczenie w prowadzeniu magazynu i serwisu.

Więcej na ten temat przeczytasz w tym artykule:

4 powody, dla których warto standaryzować falownikowe układy napędowe