Jak dobrać falownik? Jakimi silnikami można sterować falownikiem?

Falownik (ang. power inverter, DC/AC) to urządzenie odpowiedzialne przede wszystkim za zmianę prądu stałego DC w prąd zmienny AC. Falownik, nazywany również przemiennikiem częstotliwości lub inwerterem, zmienia napięcie i częstotliwość prądu zmiennego, co z kolei oddziałuje na prędkość obrotową oraz moment obrotowy silnika indukcyjnego, który napędza daną maszynę. Jak działa falownik i jak prawidłowo dobrać takie urządzenie do konkretnych rozwiązań?

Falownik - efektywny sposób regulacji prędkości

Falowniki to elementy niezbędne do prawidłowego funkcjonowania silników elektrycznych, które napędzają chociażby taśmy produkcyjne czy różnego typu pompy. Inwertery doskonale sprawdzają się w szeroko rozumianym przemyśle, stanowiąc jeden z najbardziej efektywnych sposobów regulacji prędkości obrotowej silników jedno i trójfazowych.

Na co dzień falowniki są wykorzystywane w licznych urządzeniach domowych, jak np. elementy regulujące prędkość obrotową pralek, a także wentylatorów czy wiertarek. Są one stosowane również m.in. w bramach automatycznych, pozwalając im na płynność otwierania i zamykania skrzydeł bramy.

Sterowanie falownikiem jest możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnych procesorów sygnałowych, które monitorują szereg parametrów zasilanego silnika. W falownikach stosowane są tranzystory typu IGBT, czyli tranzystory bipolarne lub, w przypadku niższego napięcia, tranzystory polowe, czyli unipolarne. Falowniki, jak się okazuje, są konieczne dla właściwego funkcjonowania napędu maszyny, aby mogła ona pracować z dokładnie sprecyzowanymi i określonymi parametrami.

Dobór falownika

Jak dobrać falownik do konkretnego modelu silnika? Przede wszystkim należy odczytać informacje techniczne silnika, które znajdują się na tabliczce znamionowej urządzenia. Są to informacje o:

  • napięciu zasilającym

  • mocy silnika

  • prądzie silnika

  • typie połączenia

Następnie warto określić rodzaj obciążenia, z jakim urządzenie będzie pracować, a także dopasować wejścia oraz wyjścia, sposób komunikacji, wymiary falownika oraz ewentualne dodatkowe akcesoria. Oferowane na rynku przemienniki częstotliwości są zazwyczaj „katalogowane” według ich mocy wyjściowej. Znając moc silnika, można łatwo dokonać wstępnego wyboru urządzenia, jednak ważniejszym parametrem pod kątem odpowiedniego dopasowania falownika jest weryfikacja prądu silnika.

Kolejnym aspektem, na którym należy się skupić, jest mechanika systemu napędowego, zwłaszcza pod kątem obciążenia, z jakim zostanie sprzęgnięty silnik. Od typu obciążenia będzie zależeć w głównej mierze dobór falownika w zakresie metody sterowania, rodzaju rozruchu, a także pracy stało- lub zmienno-momentowej.

Jaki falownik wybrać? Do zastosowań w napędach „lekkich” (np. pompy, wentylatory, sprężarki, przenośniki) najczęściej wykorzystywane są falowniki ze sterowaniem skalarnym (U/f). Aplikacje wentylatorowo-pompowe posiadają wiele przydatnych funkcji, w tym m.in. regulator PID, opcję załączania lotnego startu czy wybór odpowiedniej charakterystyki obciążenia. Część falowników oferowanych na rynku zapewnia również np. funkcję uśpienia, oszczędzania energii, kontrolowania zużycia energii czy sterowania wielosilnikowego w trybie kaskadowym (załączanie/wyłączanie kilku silników w zależności od zapotrzebowania).

Sposób komunikacji z systemem sterowania

W rozproszonych systemach sterowania kluczowe są aspekty komunikacyjne falownika, dzięki którym możliwe jest połączenie układu napędowego z urządzeniem nadrzędnym (np. sterownikiem PLC, panelem HMI, systemem SCADA). Poprzez właściwą komunikację możliwe jest sterowanie silnikiem, stałe diagnozowanie systemu oraz bieżące kontrolowanie oraz ewentualne wprowadzanie korekt parametrów pracy falownika.

Dopasowanie wejścia/wyjścia

Falowniki posiadają w swej konstrukcji tzw. wejścia/wyjścia (dyskretne i analogowe). W małych, lokalnych systemach napędowych kluczowa może się okazać odpowiednio duża ilość wejść/wyjść, które pozwalają na uruchamianie i wyłączanie napędu, monitorowanie działania układu, a także zadawanie właściwej częstotliwości wyjściowej, odbywającej się również w trybie pracy automatycznej oraz wielobiegowej. Często wejścia dyskretne służą również do zliczania impulsów, określania sposobu zatrzymania czy transferowania sygnału błędu z urządzenia zewnętrznego.

Jakimi silnikami można sterować falownikiem?

Falowniki występują zarówno w wersji zasilanej napięciem 1 fazowym 230V (FA-1F, FA-1LS, FA-1LX), jak i 3 fazowym 400V (FA-3HS, FA-3HX, FA-3X) https://www.fif.com.pl/pl/50-falowniki-i-softstarty.

Falownik jednofazowy to urządzenie zasilane z jednej fazy o napięciu 230 V. Z kolei na wyjściu ma 3 fazy o napięciu międzyfazowym 230 V. Takie rozwiązanie wykorzystywane jest w aplikacjach z małymi silnikami do 2.2 kW, o napięciu znamionowym 230 V.

Jak działa falownik trójfazowy? Rozwiązanie trójfazowe działa w oparciu o trzy fazy (3×400 V). Na wyjściu także są trzy fazy o napięciu międzyfazowym 400 V. Inwertery do silników trójfazowych zapewniają możliwość działania w dużych aplikacjach, gdzie mogą pracować z mocą wyjściową od 0.7 kW do nawet 500 kW. Tego typu urządzenia są powszechniej stosowane w porównaniu do falowników wykorzystywanych w silnikach jednofazowych.

Falowniki trójfazowe oferują zazwyczaj możliwość sterowania skalarnego/wektorowego, funkcje wentylatorowo-pompowe, a także wykorzystanie regulatora PID. Są wyposażone w port komunikacyjny RS-485 pozwalający na obsługę protokołu Modbus RTU, wejścia/wyjścia analogowe i dyskretne, sterowanie wektorowe falownika oraz skalarne z poziomu panelu LED, wejście bezpieczeństwa STO, a także samoczynny mechanizm regulacji napięcia AVR.

Falownik do sterowania silnikiem jednofazowym

Falowniki zasilane z jednej fazy stosuje się w silnikach asynchronicznych jednofazowych, czyli rozwiązaniach o jednym uzwojeniu głównym, jednym pomocniczym oraz kondensatorze przesuwającym fazę. Falowniki zasilane z jednej fazy wykorzystuje się najczęściej m.in. w pompach oraz wentylatorach o mocy do 1.1 kW. Nie zaleca się natomiast ich stosowania w wymagających aplikacjach.

Ważne! Falowniki do silników jednofazowych różnią się od przemienników zasilanych jednofazowo. Falowniki do silników jednofazowych posiadają na wyjściu jedną fazę, natomiast rozwiązania zasilane jednofazowo – trzy fazy.

Falownik skalarny – co to takiego?

Falownik z algorytmem U/f (sterowanie skalarne) wykorzystuje się w prostych aplikacjach, w których nie ma konieczności, aby regulacja obrotów była wykonywana bardzo dokładnie, a także nie występuje tzw. ciężki rozruch, czyli gdy obciążenie od uruchomienia nie ma dużej bezwładności. Falownik ze sterowaniem skalarnym pracuje w oparciu o stały stosunek U/f, czyli częstotliwości i napięcia skutecznego zasilającego silnik. Sterowanie skalarne sprawdzi się w aplikacjach wielosilnikowych, a więc tam, gdzie do jednego falownika podłączonych jest kilka silników.

Falownik wektorowy – co to takiego?

Sterowanie wektorowe falownika można podzielić na sterowanie bezczujnikowe oraz sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym.

W przypadku sterowania bezczujnikowego prędkość obrotowa obliczana jest z wykorzystaniem modelu matematycznego silnika elektrycznego (bez dodatkowego czujnika). Z kolei w falownikach ze sprzężeniem zwrotnym sterowanie ma miejsce w oparciu o pomiar aktualnej wartości prędkości. Falownik ze sterowaniem wektorowym zapewnia możliwość utrzymywania stałej wartości momentu obrotowego silnika w pełnym zakresie regulacji prędkości obrotowej, już od 0.5 Hz. W takiej sytuacji inwerter może sterować wyłącznie jednym silnikiem naraz. Oddzielnie zarządza momentem i strumieniem uzwojenia, przez co możliwe jest uzyskanie wysokiej skuteczności działania.

Każdy przemiennik ze sterowaniem wektorowym może pracować w trybie skalarnym, jako domyślny tryb sterowania.

W przypadku falownika wektorowego konieczne jest dokładne wprowadzenie parametrów silnika oraz przeprowadzenie autokonfiguracji. Pozwoli to falownikowi przeprowadzić pomiary pozostałych wartości elektrycznych, co z kolei zapewni stałą wartość momentu obrotowego.