Falownik jednofazowy a trójfazowy – jaki wybrać?

Sterowanie maszynami bądź ich zespołami ciągle może stanowić wyzwanie w nowoczesnym przemyśle. Warto więc szukać rozwiązań poprawiających działanie takich systemów. Czasem z pozoru proste narzędzia umożliwiają zmiany najlepsze i to niewielkim kosztem. Są to m.in. falowniki, zwane również przemiennikami częstotliwości. To urządzenia elektroniczne umożliwiające m.in. regulację prędkości obrotowej silników elektrycznych poprzez zmianę częstotliwości prądu zasilającego. Mają one duże znaczenie w pracy wielu maszyn przemysłowych, zapewniając np. elastyczność sterowania silnikiem oraz optymalizację zużycia energii. Wybór odpowiedniego falownika – jednofazowego czy trójfazowego – zależy od specyfiki układu, w którym ma on pracować. Zapraszamy do zapoznania się z treścią artykułu. Pomoże on w podjęciu decyzji, jaki przemiennik częstotliwości wybrać, uwzględniając specyfikację techniczną silników oraz wymogi techniczne danej instalacji.

Różnice między falownikiem jednofazowym a trójfazowym

Na początku warto wiedzieć, jak można odróżnić omawiane urządzenia. Ze względu na tryb pracy oraz funkcje, klasyfikuje się ich dwa typy – jedno- i trójfazowe. Te falowniki napięcia posiadają przede wszystkim inny sposób zasilania oraz zakres mocy, w jakim są stosowane.

Tabela przedstawiająca główne cechy obu rodzajów falowników

Falownik jednofazowy, jak sama nazwa wskazuje, jest zasilany z jednej fazy (230 V) sieci elektrycznej. Z technicznego punktu widzenia taki przemiennik może obsługiwać mniej skomplikowane układy, które nie wymagają zastosowania dużej mocy. Dlatego najczęściej można je spotkać w systemach zasilających niewielkie urządzenia, takich jak wentylatory czy pompy. Z kolei falownik trójfazowy zasilany jest z trzech faz (400 V) i znajduje zastosowanie w większych, bardziej wymagających aplikacjach, do których pracy niezbędne jest wykorzystanie mocy rzędu kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kilowatów! Tego typu układy można spotkać przede wszystkim w przemyśle ciężkim: maszynowym, wydobywczym czy energetycznym.

Zalety i wady falowników jednofazowych a trójfazowych

Analizując oba rodzaje urządzeń, warto zwrócić uwagę na ich poszczególne cechy, mogące wpłynąć na decyzję w kwestii dopasowania do danej aplikacji. Wybór ostatecznego rozwiązania zależeć może jednak od wad bądź zalet danego przemiennika częstotliwości.

Falowniki jednofazowe

Zalety

• Prostsza instalacja – falowniki jednofazowe są łatwiejsze w montażu.
• Niższe koszty zakupu oraz eksploatacji – w porównaniu z trójfazowymi falownikami są zazwyczaj tańsze, zarówno pod względem zakupu, jak i utrzymania.
• Dopasowanie do instalacji – z powodu ich wszechstronnego wykorzystania łatwiej jest je wdrożyć w istniejące już systemy
• Kompatybilność z siecią – jednofazowe przemienniki częstotliwości są zasilane prądem sieciowym o natężeniu 230 V.

Wady

• Ograniczona moc – falowniki jednofazowe nie mają tak dużego potencjału w kwestii obsługiwanej mocy.
• Nierównomierna praca – przy większych instalacjach może dochodzić do nierównomiernego rozłożenia obciążenia w sieci, co wpływa na stabilność zasilania, a co za tym idzie, na działanie całego układu.
• Mniejsza sprawność przy wyższych mocach – falowniki jednofazowe stają się mniej efektywne, gdy obsługują większą moc, co sprawia, że przy dużych instalacjach pracują mniej optymalnie.

Falowniki trójfazowe

Zalety

• Wyższa moc – falowniki trójfazowe mogą obsługiwać większe moce, co ma znaczenie pod kątem dopasowania urządzenia do wymagającej instalacji.
• Lepsza efektywność – w układach o większej mocy falowniki trójfazowe są bardziej wydajne oraz stabilne, co skutkuje mniejszym nakładem pracy podczas działania danego systemu.
• Równomierne obciążenie sieci – urządzenia te pozwalają na stabilizację zasilania podczas działania układu, nawet podczas zmiennego obciążenia silnika.
• Lepsza jakość energii – praca w systemie trójfazowym redukuje zniekształcenia harmoniczne, poprawiając jakość energii dostarczanej do urządzeń.

Wady

• Wyższe koszty zakupu – falowniki 3-fazowe są zazwyczaj droższe niż 1-fazowe, co może być barierą w małych projektach.
• Skomplikowana instalacja – wymaga ona zasilania trójfazowego oraz większej wiedzy technicznej podczas montażu.
• Wymóg dostępu do sieci trójfazowej – nie we wszystkich lokalizacjach dostępne jest zasilanie trójfazowe, a to stanowi czynnik ograniczający możliwości zastosowania takiego falownika.

Dobór falownika do konkretnego modelu silnika

Wstępne przeanalizowanie zalet oraz wad zastosowania obu typów falowników pozwala wskazać ten odpowiedni do danej instalacji. Oprócz zakresu mocy, którą obsługuje oraz rodzaju zasilania trzeba sprawdzić, czym powinien się charakteryzować odpowiedni falownik. Przy wyborze urządzenia, np. do konkretnego silnika, należy zwrócić uwagę na następujące parametry napędu:

• moc: od tej wielkości zależy to, z jakiego typu urządzenia powinniśmy skorzystać;
• napięcie zasilania: wybór między zastosowaniem falownika 1-fazowym a 3-fazowym zależy od tego, do jakiej sieci zasilającej mamy dostęp;
• prąd znamionowy: parametr ten musi być zgodny z charakterystyką silnika;
• typ połączenia: jest to liczba faz w silniku, która decyduje o tym, czy należy wybrać falownik do silnika jednofazowego, czy falownik do silnika trójfazowego.

Sterowanie za pomocą falowników

Warto wiedzieć, że wdrożenie omawianych urządzeń w nowoczesnych układach sterowania silnikami jest niezbędne. Ich główne zadanie to regulacja prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego silnika, co pozwala na bardziej precyzyjne kierowanie pracą maszyn. Natomiast opisując dokładniej zachodzące w falownikach procesy, należy wspomnieć o tzw. prostowaniu napięcia z sieci (z przemiennego na stałe). Oprócz tego falowniki przeprowadzają zjawisko filtracji napięcia stałego w celu jego stabilizacji, a także odpowiedzialne są za modulację szerokości impulsu (PWM). Takie działanie umożliwia generowanie napięcia o regulowanej częstotliwości, co m.in. pozwala na sterowanie napędami. Szczególnym przypadkiem regulacji prędkości obrotowej silnika jest wykorzystanie sterowania skalarnego oraz wektorowego. Takie metody stosowane są w silnikach indukcyjnych, w tym asynchronicznych.

Skoro wiadomo, że falowniki są niezwykle ważne w przypadku budowy zaawansowanych rozwiązań sterujących silnikami, warto również zwrócić uwagę na systemy sterujące, często stosowane w sektorze przemysłowym.

Komunikacja falownika z systemem sterowania

Kontrola napędów powinna zachodzić w mało skomplikowany sposób, aczkolwiek nadal pozwalający na precyzję regulacji pracy urządzeń. Przemienniki częstotliwości mogą być zintegrowane z zaawansowanymi układami zarządzającymi, takimi jak SCADA czy PLC, umożliwiając zdalne sterowanie silnikiem oraz monitorowanie jego parametrów. Takie oprogramowanie posiada wiele przydatnych funkcji, pozwalających na szczegółowe śledzenie każdego procesu. Doskonałym przykładem praktycznego interfejsu komunikacyjnego jest RS-485, który pozwala na przesyłanie danych między falownikiem a systemem sterującym. Stanowi on często stosowany w automatyce standard komunikujący podłączone do układu urządzenia. Warto również w tym momencie wspomnieć o wielu aplikacjach przemysłowych, w których stosuje się falowniki wielosilnikowe (skalarne), pozwalające na jednoczesne sterowanie kilkoma napędami. Takie rozwiązanie jest w stanie pozytywnie wpłynąć na efektywność produkcji oraz umożliwia wdrożenie bardziej złożonych procesów. Tam właśnie często wykorzystuje się standard RS-485.

Kiedy wybrać falownik jednofazowy, a kiedy trójfazowy? Dopasowanie odpowiedniego urządzenia do sterowania silnikiem zależy od wielu jego parametrów, a także ogólnych potrzeb aplikacji oraz dostępnych zasobów np. zasilania. W układach z mniejszymi urządzeniami, takimi jak pompy czy wentylatory, falownik jednofazowy będzie wystarczający. Natomiast w bardziej wymagających aplikacjach przemysłowych, zaleca się zastosowanie falownika trójfazowego, który zapewnia wyższą wydajność i większą moc. Oczywiście w przypadku wątpliwości zawsze warto skonsultować się z ekspertami, aby wybrać odpowiedni falownik, ściśle dopasowany do konkretnego modelu silnika.