Jak działa falownik?

Wzrost znaczenia falowników w przemyśle jest obserwowany już od dobrych kilku lat. Urządzenia pozwalające na oszczędzanie energii, automatyzację procesów technologicznych oraz ekonomiczne gospodarowanie zasobami produkcji są niewątpliwie wysoko cenione przez przedsiębiorców i specjalistów od maszyn przemysłowych. Wraz z dynamicznym rozwojem techniki napędowej konieczne było bowiem znalezienie rozwiązania, które pozwoli na precyzyjne sterowanie napędami maszyn bez zbędnych strat energetycznych i finansowych. To właśnie tu swoją życiową rolę odnalazły przemienniki częstotliwości, czyli falowniki. Najczęściej spotykanym zastosowaniem współczesnych falowników jest regulacja prędkości obrotowej silników prądu przemiennego. Znajdziemy je zarówno w układach sterowania wentylatorów, jak i automatyce dźwignic. Jak jednak działa falownik?

Podstawowa wiedza o falownikach

Falownik, czyli przetwornik mocy DC/AC to urządzenie pozwalające na zmianę prądu stałego (zasilania) na prąd o regulowanej częstotliwości wyjściowej (prąd przemienny). W specyficznych przypadkach falowniki pozwalają również na regulację wartości skutecznej napięcia wyjściowego. Współcześnie stosowane falowniki to urządzenia sterowane przez zaawansowane procesory sygnałowe, pozwalające na kontrolowanie parametrów zasilanego silnika.

Falownik może być zasilany z dwóch źródeł: źródła napięciowego (mamy wtedy do czynienia z falownikiem napięcia) oraz źródła prądowego (falownik prądu). Na wejściu tego pierwszego znajduje się kondensator lub bateria kondensatorów o dużej pojemności, natomiast wejście falownika prądu stanowi dławik, czyli cewka indukcyjna zapobiegająca nagłym zmianom prądu elektrycznego. Silnik zasilany poprzez przemiennik częstotliwości może nabrać zupełnie nowych cech użytkowych, a jego charakterystyka mechaniczna jest kształtowana przez układ sterowania w obszarze parametrów dopuszczalnych dla sinika. Od falowników wymagane jest, by umożliwiały regulację prędkości obrotowej silnika przy zachowaniu stałego momentu obrotowego. Działanie takie jest możliwe, ponieważ falownik ma możliwość zmiany częstotliwości napięcia proporcjonalnie do wartości skutecznej napięcia.

Sterowanie falownikiem

Falowniki można również podzielić też według metod ich sterowania. Tu wyróżnimy sterowanie skalarne oraz sterowanie wektorowe. To od rodzaju sterowania falownikiem będzie w głównej mierze zależało jego możliwe zastosowanie. Falowniki skalarne znajdują zastosowanie w wszelkiego rodzaju systemach napędowych zmiennomomentowych i stanowią niezwykle ekonomiczne rozwiązanie dla przedsiębiorstwa. Ich działanie polega na dostarczaniu do silnika minimalnej możliwej energii tak, aby nie spowodować niekontrolowanych spadków częstotliwości wyjściowej prądu. Falowniki wektorowe to z kolei urządzenia stosowane w systemach napędowych stałomomentowych. Ich cechą charakterystyczną jest optymalna regulacja momentu obrotowego dostosowana do wymagań stawianych przez urządzenie. Dynamikę działania falownika wektorowego można zaobserwować przede wszystkim w urządzeniach z niską prędkością obrotową.

Dynamiczny rozwój przemysłu i konieczność polegania na falownikach w coraz większej ilości urządzeń i maszyn sprawia, że falowniki stają się coraz bardziej rozwinięte, a algorytmy ich sterownia są coraz bardziej zaawansowane. Najbardziej zaawansowanymi falownikami są falowniki ze sterowaniem DTC, pozwalające na dokładną i precyzyjną kontrolę zarówno prędkości obrotowej silnika, jak i jego momentu obrotowego. Falowniki DTC likwidują konieczność stosowania sprzężenia zwrotnego, jakim najczęściej jest enkoder montowany na wale silnika. To kolejny sposób na ekonomizację procesów produkcyjnych.

Zastosowanie falowników przemysłowych

Falowniki, nazywane często również przemiennikami częstotliwości są dziś szeroko stosowane w przemyśle, gdyż stanowią jeden z najwydatniejszych i najbardziej ekonomicznych sposobów regulacji prędkości urządzeń. Większość maszyn wykorzystujących dziś silniki indukcyjne jest kontrolowana właśnie przez falowniki, odpowiadające za regulację ich prędkości obrotowej. W gospodarstwie domowym działanie falownika jest najłatwiej zauważalne w pralkach, które pozwalają na regulację ilości obrotów bębna podczas cyklu prania.