Jak działa falownik? Zasada działania i zastosowanie urządzenia

Falownik może oznaczać dwa różne urządzenia. Falownik fotowoltaiczny zamienia prąd stały DC z paneli na prąd przemienny AC używany w budynku lub oddawany do sieci. Przemiennik częstotliwości, nazywany potocznie falownikiem silnikowym, przetwarza zasilanie AC na DC, a następnie ponownie na AC o regulowanej częstotliwości i napięciu, aby sterować pracą silnika.

Dwa znaczenia słowa „falownik”

W instalacji fotowoltaicznej falownik odpowiada przede wszystkim za konwersję energii. Panele wytwarzają prąd stały, a urządzenia w domu i sieć elektroenergetyczna korzystają z prądu przemiennego. Inwerter PV dopasowuje więc postać energii do odbiorników.

W automatyce przemysłowej określenie „falownik” zwykle odnosi się do przemiennika częstotliwości. Jego zadaniem nie jest wykorzystanie energii z paneli, lecz regulacja prędkości obrotowej, momentu i sposobu pracy silnika elektrycznego. Oba urządzenia wykorzystują energoelektronikę i tranzystory mocy, ale mają inne wejścia, wyjścia oraz cele.

Jak działa falownik fotowoltaiczny?

Moduły fotowoltaiczne dostarczają napięcie stałe DC, którego wartość zmienia się wraz z nasłonecznieniem, temperaturą i obciążeniem. Falownik odbiera tę energię, wyszukuje punkt pracy zapewniający możliwie dużą moc, a następnie przekształca ją w napięcie przemienne AC o parametrach zgodnych z instalacją budynku lub siecią.

Rola układu MPPT

Za dobór punktu pracy odpowiada układ MPPT (Maximum Power Point Tracking). Moduł fotowoltaiczny ma charakterystykę, na której tylko określona kombinacja napięcia i prądu zapewnia maksymalną moc. Punkt ten nie jest stały, dlatego falownik na bieżąco koryguje obciążenie paneli.

Jeżeli część modułów zostanie zacieniona albo zmieni się temperatura, układ MPPT szuka nowego punktu maksymalnej mocy. W bardziej rozbudowanych instalacjach kilka niezależnych wejść MPPT pozwala osobno obsługiwać łańcuchy paneli ustawione w różnych kierunkach.

Konwersja DC na AC

W stopniu wyjściowym pracuje mostek tranzystorowy, który szybko przełącza napięcie stałe. Dzięki odpowiedniemu sterowaniu powstaje przebieg przemienny o wymaganej częstotliwości i napięciu. Filtry, w tym dławiki, ograniczają zakłócenia i pomagają uzyskać jakość energii wymaganą przez odbiorniki oraz sieć.

Falownik PV kontroluje także napięcia, prądy, temperaturę i stan zabezpieczeń. W wersji sieciowej musi synchronizować swoją pracę z parametrami sieci. Po zaniku napięcia zewnętrznego wyłącza się, aby nie zasilać odłączonego odcinka podczas prac serwisowych.

Rodzaj falownika fotowoltaicznego zależy od sposobu wykorzystania energii:

• On-grid – współpracuje z siecią elektroenergetyczną, zasila odbiorniki i może przekazywać nadwyżki do sieci.
• Off-grid – pracuje niezależnie od sieci i współpracuje z akumulatorami w instalacji wyspowej.
• Hybrydowy – łączy współpracę z siecią z obsługą magazynu energii, a w określonych warunkach może zasilać wybrane odbiorniki awaryjne.

Ważne jest, aby nie mylić falownika PV z urządzeniem do sterowania silnikiem. Inwerter fotowoltaiczny dostarcza energię elektryczną w odpowiedniej postaci, natomiast przemiennik częstotliwości zmienia parametry zasilania silnika podczas jego pracy.

Jak działa przemiennik częstotliwości?

Przemiennik częstotliwości VFD zwykle otrzymuje na wejściu jednofazowe lub trójfazowe napięcie przemienne. Na wyjściu również podaje napięcie przemienne, ale o częstotliwości i wartości dobranej do aktualnych potrzeb napędu. W typowej konstrukcji między wejściem i wyjściem znajduje się obwód pośredni prądu stałego.

Proces przetwarzania przebiega w trzech etapach:

1. Prostownik – zamienia napięcie przemienne AC z sieci na napięcie stałe DC.
2. Obwód pośredni – wygładza napięcie i magazynuje energię w kondensatorach. W tym miejscu mogą pracować także elementy ograniczające zakłócenia.
3. Inwerter wyjściowy – przełącza tranzystory mocy i tworzy napięcie przemienne o zadanej częstotliwości, przeznaczone dla silnika.

Dlaczego stosuje się PWM?

Stopień wyjściowy nie wytwarza sinusoidy przez proste „ustawienie” jednej wartości napięcia. Tranzystory przełączają napięcie stałe z dużą częstotliwością, a sterownik zmienia szerokość impulsów. Ta technika to PWM, czyli modulacja szerokości impulsów.

Odpowiedni układ impulsów powoduje, że prąd silnika ma przebieg zbliżony do wymaganej fali sinusoidalnej. Zmiana częstotliwości modulacji i parametrów przebiegu wyjściowego pozwala regulować prędkość silnika. Sterownik może otrzymywać polecenia z klawiatury, potencjometru, wejścia analogowego, sterownika PLC lub systemu automatyki.

Falownik skalarny i wektorowy

Najprostsze przemienniki wykorzystują sterowanie skalarne U/f. W bardziej wymagających napędach stosuje się sterowanie wektorowe, które analizuje model silnika i dokładniej rozdziela regulację strumienia oraz momentu.

Najważniejsze różnice przedstawia tabela:

Przemienniki częstotliwości znajdują zastosowanie między innymi w:

• pompach i wentylatorach, gdzie płynna regulacja ogranicza pracę z nadmiarem wydajności,
• przenośnikach, podajnikach i układach transportowych,
• sprężarkach, systemach klimatyzacji i chłodzenia,
• maszynach obróbczych, dźwignicach oraz innych napędach przemysłowych.

Na czym polega zasada U/f?

W silniku indukcyjnym częstotliwość napięcia wpływa na prędkość wirowania pola magnetycznego. Jeżeli falownik zmniejszy częstotliwość zasilania, silnik może pracować wolniej. Sama zmiana częstotliwości nie wystarczy jednak do zachowania właściwych warunków magnetycznych. Trzeba równocześnie zmienić napięcie.

W zakresie podstawowej regulacji falownik utrzymuje w przybliżeniu stały stosunek:

U/f = wartość stała

Dla silnika znamionowo zasilanego napięciem 400 V przy częstotliwości 50 Hz stosunek wynosi:

400 V / 50 Hz = 8 V/Hz

Przy częstotliwości 25 Hz napięcie powinno więc wynosić w przybliżeniu 200 V, aby zachować podobny strumień magnetyczny. Dzięki temu silnik może pracować z mniejszą prędkością bez gwałtownej utraty momentu w zakresie przewidzianym przez producenta.

Po osiągnięciu częstotliwości znamionowej falownik zwykle nie może dalej zwiększać napięcia, ponieważ osiągnął jego maksymalną wartość. Od tego punktu, nazywanego częstotliwością załomu, wzrasta głównie częstotliwość. Silnik wchodzi w obszar osłabionego strumienia, a dostępny moment obrotowy maleje. Praca powyżej 50 Hz wymaga sprawdzenia dopuszczalnej prędkości, chłodzenia i obciążenia silnika. Nie każdy napęd może bezpiecznie pracować z częstotliwością wyższą od znamionowej.

Falownik PV a przemiennik częstotliwości – najważniejsze różnice

Najprostszy sposób rozróżnienia obu urządzeń polega na sprawdzeniu celu ich pracy. Falownik fotowoltaiczny przetwarza energię pochodzącą z paneli, a VFD kształtuje zasilanie silnika.

Czy falownik fotowoltaiczny może sterować silnikiem?

Nie należy traktować obu urządzeń jako zamienników. Falownik PV jest projektowany do współpracy z panelami, siecią i ewentualnym magazynem energii. Nie zapewnia typowych funkcji przemiennika częstotliwości, takich jak regulacja częstotliwości wyjściowej zgodnie z prędkością silnika, kompensacja poślizgu czy sterowanie momentem.

Do napędu silnika wybiera się przemiennik częstotliwości dopasowany do napięcia, prądu, mocy i charakteru obciążenia. Do instalacji solarnej potrzebny jest falownik PV o parametrach zgodnych z modułami, przyłączem oraz sposobem magazynowania energii. Przy projektowaniu i podłączaniu obu typów urządzeń trzeba uwzględnić zabezpieczenia oraz zasady wykonywania instalacji elektrycznych.

Najkrócej: falownik PV zmienia DC na AC, aby energia z paneli mogła zasilać odbiorniki lub sieć, a przemiennik częstotliwości wykonuje układ AC–DC–AC, aby sterować silnikiem. To właśnie cel urządzenia, a nie sama potoczna nazwa, rozstrzyga, o którym rodzaju falownika mowa.