Kategorie

Falowniki inaczej przemienniki częstotliwości. Czym są oraz jakie mamy rodzaje falowników

    Automatyka przemysłowa    0 Komentarzy
Falowniki inaczej przemienniki częstotliwości. Czym są oraz jakie mamy rodzaje falowników

Falowniki inaczej przemiennik czętotliwości. Czym są oraz jakie mamy rodzaje falowników

Falownik nazywany również przemiennikiem częstotliwości to urządzenie, które odpowiada za zmianę prądu przemiennego o danej częstotliwości na prąd stały o regulowanej częstotliwości. Jakie jest jego praktyczne zastosowanie? Jakie są rodzaje falowników? Odpowiedzi na te i inne pytania znajdują się w niniejszym artykule.

Falownik - czym jest?

Falowniki, czyli przemienniki częstotliwości przekształcają napięcie przemienne prądu z sieci (o stałej częstotliwości) na prąd stały o regulowanej częstotliwości. Ich właściwości są wykorzystywane do napędzania różnego rodzaju silników elektrycznych. Regulowana częstotliwość napięcia wychodzącego z falownika umożliwia kontrolę momentu obrotowego, co sprawi że silnik będzie pracował szybciej lub wolniej.

W tym miejscu warto zaznaczyć, że falownik to określenie potoczne, które jest używane zamiennie z pojęciem przemiennik częstotliwości. Prawidłowo falownik jest urządzeniem przeznaczonym do przemiany prądu stałego na prąd zmienny o regulowanej częstotliwości. Są to więc wszelkiego rodzaju przetwornice napięcia. Obecnie nawet producenci urządzeń stosują zamiennie te pojęcia, dlatego też zasada ta zostanie utrzymana na potrzeby tego artykułu.

Rodzaje falowników

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów falowników, które można podzielić m.in. ze względu na sposób zasilania, czy sterowanie. Według pierwszego kryterium wyróżnia się:

- falowniki jednofazowe, czyli urządzenia zasilane z jednej fazy, które wyposażone są w potrójne wyjście fazowe 230V;

- falowniki trójfazowe, czyli urządzenia zasilane przez trzy fazy, które również są wyposażone w potrójne wyjście fazowe 230V;

- falowniki napięcia, czyli urządzenia zasilane przez źródło napięciowe, którym może być np. bateria kondensatorów;

- falowniki prądu, czyli urządzenia zasilane przez źródło prądowe, które przy wejściu posiadają specjalny dławik.

Podziału tego typu urządzeń można również dokonać ze względu na sposób sterowania falownikiem. Każdy z nich może posiadać dwa rodzaje zasilania, dlatego też wyróżnia się:

- falowniki skalarne, czyli urządzenia stosowane w napędach zmienno-napędowych. Ich zadaniem jest dostarczenie do silnika najmniejszej ilości energii elektrycznej, w taki sposób, aby wartość wyjściowa nie spadła poniżej wartości zadanej;

- falowniki wektorowe (DTC), czyli urządzenia, które doskonale sprawdzają się w napędowych systemach stało-momentowych. Odpowiadają one za regulację prędkości obrotowej silnika. Tego typu falowniki są bardzo zaawansowane pod względem technologicznym. Sterowanie silnikami prądu przemiennego jest w pełni mechaniczne, co gwarantuje jednocześnie bardzo wygodną kontrolę prędkości obrotowej silnika.

Falowniki w przemyśle

Falowniki znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, ponieważ są to elementy niezbędne do prawidłowego zasilania silników elektrycznych zasilających np. tokarki, obrabiarki numeryczne, sprężarki, wiertarkach stołowe, pompy głębinowe, przenośniki taśmowe i wiele innych urządzeń. Dzięki ich działaniu możliwe jest obniżenie poboru mocy maszyn i urządzeń przemysłowych, co bezpośrednio wpływa na zmniejszenie kosztów wynikających z ich użytkowania.

Przemienniki częstotliwości wykorzystywane są również w urządzeniach domowych. Przykładowo falowniki Siemens stosowane są jako elementy regulujące prędkość obrotową pralek, wentylatorów, czy wiertarek. Coraz częściej wykorzystywane są również w bramach automatycznych, gdzie wspierają płynność zamykania i otwierania. Są one także wykorzystywane w samochodach elektrycznych, gdzie sterują silnikiem asynchronicznym, czy tramwajach, gdzie przekształcają prąd stały trakcji w prąd zmienny sterujący silnikiem asynchronicznym napędzającym tramwaj.

Falowniki swoje zastosowanie znalazły również w fotowoltaice. Są to falowniki solarne, których działanie różni się od standardowych urządzeń tego typu. Wynika to z faktu, że przekształcają one napięcie stałe w napięcie zmienne odpowiadające zasilanemu budynkowi.

Jak dobrać odpowiedni falownik?

Falownik powinien być dopasowany do rodzaju obciążenia, z jakim zostanie sprzęgnięty silnik. Od tej kwestii uzależniony będzie dobór przemiennika częstotliwości pod względem metody sterowania, typu rozruchu, czy pracy stało- lub zmienno-momentowej. Szukając falownika do napędów lekkich (np. pomp, wentylatorów, czy sprężarek) postawić można na urządzenia ze sterowaniem skalarnym. W tym przypadku warto również zwrócić uwagę na dodatkowe funkcje falownika, takie jak regulator PID, możliwość załączania w funkcji lotnego startu czy wybór właściwej charakterystyki obciążenia. Posiadają je m.in. falowniki ABB.

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku aplikacji napędowych wymagających wysokiego momentu rozruchowego i dużej przeciążalności (np. napędy maszyn, wirówki, czy obrotnice). W takich przypadkach dobrze sprawdzają się falowniki Eaton z bezczujnikowym sterowaniem wektorowym. Umożliwiają one automatyczny pomiar parametrów silnika, na podstawie którego optymalnie dopasowują parametry przemiennika do podłączonego układu napędowego. Dzięki takiemu sposobowi sterowania możliwa jest błyskawiczna reakcja na zmianę obciążenia i momentu obrotowego. Rozwiązanie umożliwia również płynne sterowanie przy niskich obrotach silnika.  

Na co zwrócić uwagę przy wyborze falownika?

Przy wyborze falownika należy zwrócić uwagę przede wszystkim na silnik napędzający układ. Jego podstawowe dane techniczne znajdują się na tabliczce znamionowej, z której można odczytać informacje umożliwiające właściwy wybór przemiennika częstotliwości. Dotyczą one:

  • napięcia zasilającego,
  • mocy silnika,
  • prądu silnika,
  • typu połączeń (gwiazda-trójkąt),
  • obrotów silnika.

Należy pamiętać, że dostępne w sprzedaży falowniki są skatalogowane zgodnie z ich mocą wyjściową. W związku z tym znając moc silnika można w łatwy sposób dokonać wstępnego wyboru urządzenia. Właściwe dopasowanie konkretnych elementów umożliwiają dopiero jednak weryfikacja prądu silnika. Warto również wspomnieć, że niektóre przemienniki częstotliwości można stosować w aplikacjach wielosilnikowych. W takiej sytuacji należy zadbać o to, by prąd wyjściowy falownika był przynajmniej równy łącznemu prądowi podłączonych silników. W tego typu rozwiązaniach wykorzystywane jest sterowanie skalarne, a użyte silniki muszą mieć takie same parametry w zakresie prądu oraz prędkości obrotowej.

Wybierając falownik warto zwrócić również uwagę na jego producenta. Wśród najlepszych produktów wyróżnia się falowniki Schneider, ABB, Eaton, czy Siemens. Sprawdzona marka to gwarancja trwałości urządzenia oraz jego prawidłowego działania. Należy jednak mieć świadomość, że kupując model wyprodukowany przez renomowanego producenta mamy pewność, że ewentualna naprawa falowników zostanie wykonana w autoryzowanym serwisie. Co więcej, będzie ona bezpłatna,  jeżeli dojdzie do niej w trakcie trwania okresu gwarancji.

Deficyt falowników w czasie pandemii

W jaki sposób pandemia COVID-19 przyczyniła się do deficytu falowników na rynku? Czy możemy mówić o długotrwałym kryzysie rynku? Tego typu pytania zadaje sobie wiele osób, ponieważ falowniki są obecnie powszechnie wykorzystywane zarówno w przemyśle, jak i coraz popularniejszych instalacjach fotowoltaicznych. W czasie pandemii zauważony został deficyt tego typu urządzeń, który spowodowany jest kilkoma aspektami. Pierwszym jest załamanie łańcuchów dostaw, które nastąpiło w skutek zamknięcia granic i ograniczenia transportu międzynarodowego. Problem powiększyła również blokada Kanału Sueskiego, który stanowi jedno z kluczowych połączeń w światowym frachcie.

Do deficytu falowników, który ma miejsce w ostatnim czasie przyczynił się również ogromny wzrost zapotrzebowania na tego typu urządzenia. Wynika on z szybkiego rozwoju rynku fotowoltaiki, który jest widoczny nie tylko w Polsce. Przykładowo w Indiach powstaje obecnie farma o mocy 2200MW, czyli odpowiadającej około połowie mocy zainstalowanej obecnie w Polsce. Nagły wzrost zapotrzebowania na falowniki skutkuje niedopasowaniem mocy produkcyjnej fabryk oraz niedostępnością surowców niezbędnych do ich wytwarzania. Producenci od miesięcy mierzą się nie tylko z niedoborami surowców, ale także ze drastycznym wzrostem ich cen. Przykładem mogą być ceny stali, które w okresie pandemii wzrosły o około 150%, czy miedzi drożejącej o przeszło 50%. 

Unormowanie sytuacji pandemicznej pozytywnie wpłynie również na dostępność i ceny falowników, ponieważ już teraz można zauważyć spowolnienie wzrostu cen surowców oraz zwiększenie ich podaży. Na świecie uruchomiono również nowe moce produkcyjne oraz systematycznie odbudowywane są dotychczasowe łańcuchy dostaw.