Jak działa falownik?

Falowniki to dziś jeden z najważniejszych komponentów produkcji wielu maszyn i urządzeń. Wzrost ich znaczenia jest szczególnie zauważalny tam, gdzie oszczędzanie energii i automatyzacja procesów technologicznych wiodą prym. Rozwój techniki napędowej dla maszyn i urządzeń przemysłowych wygenerował na rynku zapotrzebowanie na rozwiązanie, które pozwoliłoby precyzyjnie sterować napędami maszyn bez kreowania zbędnych strat energetycznych, a co za tym idzie, także finansowych. Falowniki, czyli przemienniki częstotliwości, odnalazły się w tej roli naprawdę dobrze. To dzięki nim możliwa jest regulacja prędkości obrotowej silników prądu przemiennego, stosowanych w wielu współczesnych maszynach i układach sterowania. Na czym właściwie polega ich działanie i jak falowniki wpływają na obniżenie zużywanej przez maszyny energii?

Budowa falowników

Choć falowniki przechodzą w ostatnich latach prawdziwą rewolucję i ewolucję, podstawy ich budowy od lat nie ulegają zmianie. W ogólnym ujęciu tematu falownik jest zbudowany z czterech podstawowych elementów, jakimi są prostownik, układ pośredni oraz układ końcowy, zwany właśnie falownikiem. Dodatkowo do każdego z nich podłączony jest układ sterowania i zabezpieczeń, którego zadaniem jest sterowanie tranzystorami końcowymi falownika i wymiana danych pomiędzy przemiennikiem częstotliwości, a urządzeniami zewnętrznymi.

Rozważając stosowane obecnie falowniki dostrzec można dwa podstawowe warianty, różniące się między sobą sposobem zasilania. Wśród falowników wyróżniamy więc falowniki pobierające energię ze źródła napięciowego (falowniki napięcia) oraz ze źródła prądowego (falowniki prądu). Na wejściu falowników napięcia znajdują się pojedyncze kondensatory lub całe ich grupy – baterie kondensatorów, podczas gdy układ falowników prądu rozpoczyna dławik, czyli cewka indukcyjna zapobiegająca nagłym zmianom prądu elektrycznego.

Działanie falowników

Głównym zadaniem falowników jest zamiana energii z modułów fotowoltaicznych dostarczanych do falownika w postaci prądu i napięcia stałego, na prąd i napięcie przemienne o częstotliwości dopasowanej do współpracujących z nim urządzeń elektrycznych. Nowoczesne wersje falowników mogą pełnić również funkcję urządzenia rejestrujące przepływ energii przez układ.

Falownik OMRON MX2 jest jednym z najpopularniejszych i najbardziej pożądanych falowników na rynku przemysłowym. Źródło zdjęcia: http://www.anlap.pl/pl/p/Falownik-MX2-A4022-E-EIP-2.2kW/425

Falowniki można podzielić również według metod ich sterowania – tu możemy mieć do czynienia z falownikami skalarnymi oraz wektorowymi. Falowniki skalarne stosuje się zwykle w systemach napędowych o zmiennym momencie – rozwiązanie niezwykle ekonomiczne w przypadku dużych przedsiębiorstw. Falowniki skalarne dostarczają do silnika minimalną możliwą energię w sposób, który nie zaburza częstotliwości dostarczanego do maszyny prądu. Falowniki wektorowe są natomiast urządzeniami stosowanymi w systemach napędowych stałomomentowych – ich charakterystyczną zaletą jest optymalna regulacja momentu obrotowego dostosowana do wymagań, na jakie zostało zaprogramowane urządzenie. Stosuje się je więc wszędzie tam, gdzie silniki pracują na niskiej prędkości obrotowej.

Wykorzystanie falowników

Silniki maszyn, w których zainstalowano falowniki, mogą dzięki nim nabrać zupełnie nowych cech użytkowych. Możliwość regulacji prędkości obrotowej silnika pozwala bowiem na jeszcze większą automatyzację procesów pracy maszyn na dużych liniach przemysłowych, co w rezultacie generuje spore oszczędności i reguluje dynamikę pracy. Dynamiczny rozwój przemysłu maszynowego i automatyki sprawił, że technologie produkcji falowników są w ostatnich latach nieustannie dopracowywane. Algorytmy sterujące pracą falownika to dziś zaawansowane struktury, których opanowanie wymaga specjalistycznej wiedzy z dziedziny automatyki, techniki i elektroniki. Jednymi z najbardziej zaawansowanych obecnie falowników są falowniki ze sterowaniem DTC, pozwalającym precyzyjnie kontrolować prędkość obrotową silnika maszyny oraz jego moment obrotowy. Wykorzystanie falowników ze sterowaniem DTC pozwoliło na zminimalizowanie konieczności stosowania w silnikach sprzężenia zwrotnego w postaci enkodera, co przyczyniło się do bardziej wydajnej i ekonomicznej pracy maszyn z napędem silnikowym.