Falownik co to jest?

Falownik, czyli inaczej przemiennik częstotliwości (posiada możliwość regulacji częstotliwości napięcia), jest urządzeniem, które służy do zmiany prądu stałego (DC) na prąd przemienny (AC). Regulację prędkości obrotowej w silnikach elektrycznych oraz rozruchu można zawdzięczać właśnie jemu. Zwiększanie lub zmniejszanie częstotliwości napięcia w dowolnym silniku elektrycznym, powoduje, że jego wirnik zmienia swoją prędkość obrotową. Regulowanie częstotliwości napięcia z falownika umożliwia stałą kontrolę momentu obrotowego silnika.Prostownik ma działanie odwrotne do falownika. Zamienia on prąd zmienny na prąd stały. Prostownik również zalicza się do przemienników częstotliwości. W branży, pojęcia takie jak falownik czy przemiennik są stosowane naprzemiennie. Czy jednak słusznie? Okazuje się, że nie do końca są tożsamymi pojęciami, pomimo iż „utarło się” inaczej. Zarówno producenci, instalatorzy, jak i klienci przyzwyczaili się do takiego słownika branżowego. Z drugiej strony, taka sytuacja może prowadzić do licznych konfliktów i nieporozumień. Mimo iż mianem „falownik” określane są wszystkie urządzenia do regulacji prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Wg definicji książkowej, falownikiem nazywamy urządzenie, które zmienia prąd stały na prąd zmienny, przemienniki częstotliwości są odpowiedzialne za zmianę częstotliwości prądu przemiennego. W praktyce wygląda to zupełnie inaczej. Co ciekawe, po wpisaniu w internet słowa „falownik” , wyskoczy nam wiele stron, które będą oferować sprzedaż, serwis lub inne usługi w rzeczywistości związane z przemiennikami częstotliwości, a nie falownikami.

Jak działa falownik?

Sygnał wyjściowy oraz forma wyróżniają falowniki, czyli czasowy przebieg napięcia prądu przemiennego, który zwykle pokrywa się z funkcją sinusoidalną – co jest podobne do krzywej napięcia, która jest generowana z generatora synchronicznego. Odbiorniki nieskomplikowane, takie jak żarówki, są zasilane przez napięcie fali kwadratowej, która jest wytwarzana przez typowe induktory kontaktowe. Wydajność dla konwersji mocy jest atutem przemawiającym na korzyść falownika, które mogą osiągnąć sprawność 98%. Owa sprawność wyrażona jest stosunkiem mocy wyjściowej prądu zmiennego (AC) do mocy wejściowej prądu stałego (DC), czyli:

η= P (AC) / P (DC), gdzie η – sprawność falownika, P (AC)- moc wyjściowa prądu zmiennego, P (DC)- moc wejściowa prądu stałego

Dlaczego falowniki się nagrzewają? Podczas ich pracy wytwarzane są pewnego rodzaju starty, co w przypadku falowników oznacza straty w postaci oddawanego ciepła. Z tego powodu przemienniki częstotliwości często są wyposażane w radiatory i wentylatory, które mają za zadanie ochładzać elementy elektroniczne zawierające się w budowie falowników. Falownik to urządzenie, które można rozróżniać ze względu na różne kryteria. Jednym z nich jest tryb pracy. Przemienniki zainstalowane do jakiejś sieci, mające zastosowane w większości instalacji fotowoltaicznych, dostosowują się do takiej sieci ze względu na frazy i częstotliwość. Drugi tryb pracy, tak jak w przypadku zasilaczy bezprzerwowych oraz reszty instalacji samopodtrzymujących się, stosowane są falowniki niezależne, które działają automatycznie, więc same w sobie stają się generatorem sieciowym.

Falownik – budowa i działanie

Każdy przemiennik częstotliwości składa się z poniższych elementów:

prostownik (sterowany bądź nie), który podłączany jest do fazy zasilającej;
układ pośredni, który ma za zadanie zmieniać napięcie na prąd stały, stabilizować napięcie stałe lub modyfikować napięcie stałe do regulacji;
falownik (prądowy bądź napięciowy)
układ sterowania i zabezpieczenia kontrolujące przebieg pracy falowników

Falowniki można podzielić na bezpośrednie i pośrednie. Te pierwsze nie mają obwodu pośredniego, a obwód falowników pośrednich ma stałe lub zmienne napięcie. Innym podziałem może być podział ze względu na rodzaj metody kształtowania napięcia wyjściowego:

przemiennik prądowy ( CSI),
przemiennik napięciowy ( PAM),
przemiennik napięciowy (PWM/VVC).

Sposób działania

Cały proces wygląda nieskomplikowanie na pierwszy rzut oka. Prostownik odbiera napięcie przemienne, z jednej z trzech lub trzech faz, o częstotliwości 50 Hz. Prostownik przerabia to napięcie na pulsacyjne stałe, które później układ pośredni przekształca na prąd stały. Później, napięcie jest modyfikowane przez falownik i nadaje mu częstotliwość wybraną przez właściciela lub operatora urządzenia, co ma bezpośredni wpływ na prędkość obrotową silnika, która się zwiększa lub zmniejsza przy utrzymaniu stałego momentu obrotowego.

Rodzaje falowników – sposób zasilania

Ze względu na sposób zasilania falowniki dzieli się na:

falownik jednofazowy – jest zasilany z jednej fazy. Nie każdy jednak wie, że falownik jednofazowy ma wbudowane potrójne wyjście fazowe (3x 230 V).
falownik trójfazowy– analogicznie do falownika jednofazowego, jest on zasilany trójfazowo oraz również posiada wbudowane trójfazowe wyjście (3x 230 V).

Rodzaje falowników – sposób sterowania

Ze względu na sposób sterowania dostępny w sprzedaży, falowniki dzielimy na:

Falownik skalarny– najlepiej sprawdza się w przypadku napędów zmiennonapędowych. Chodzi o to, aby jak najmniejsza ilość energii została dostarczona do silnika, aby wartość wyjściowa nie została obniżona poniżej wartości zadanej. Tego typu falownik znajduje zastosowanie w różnego rodzaju pompach oraz wentylatorach. Falownik skalarny utrzymuje stały stosunek U/f, tzn. częstotliwości i napięcia skutecznego zasilającego silnik
Falownik wektorowy– jest oznaczony symbolem DTC. Ma zastosowanie w systemach z napędem stałomentowym oraz jest znacznie bardziej popularny niż falownik skalarny. Płynna regulacja prędkości obrotowej silnika elektrycznego jest głównym zadaniem tego falownika. Cechuje się on wysoką skutecznością działania oraz możliwością zaawansowanego mechanicznego sterowania silnikami prądu przemiennego, dzięki czemu możemy wygodniej regulować prędkość obrotową.

Wszystkie przemienniki mogą znacznie różnić się od siebie cenowo. Wszystko zależy od marki oraz właściwości technicznych każdego przemiennika.

Zastosowanie falowników

Przemienniki częstotliwości stosowane są głównie w przemyśle w elektronicznych przetwornicach częstotliwości, gdzie regulacja prędkości obrotowej klatkowych silników indukcyjnych. W produktach AGD mają swoje zastosowanie np. w pralkach, mikserach, młynach i bieżniach elektrycznych, gdzie regulują prędkość silnika wg wzoru na prędkość obrotową silnika. Główną wadą przy zakupie falowników jest ich wysoka cena, która wynika ze stopnia skomplikowania obudowy całego urządzenia. Na szczęście, oferta falowników jest sukcesywnie poszerzana na rynku, stąd ceny zaczynają powoli stawać się konkurencyjne. Producenci coraz bardziej stawiają czoła wymogom, jakie stawiają im konsumenci. Z czasem każdy znajdzie coś dla siebie, zarówno pod względem funkcjonalności, jak i atrakcyjności cenowej.