Realizacja różnorodnych instalacji elektrycznych zazwyczaj jest pełna wyzwań i wiąże się z koniecznością zastosowania odpowiednich elementów. Wśród nich można wyróżnić falowniki oraz przemienniki częstotliwości. Stosuje się je m.in. w układach zasilających, napędowych czy sterowania. Można się z nimi spotkać zarówno w maszynowniach przemysłowych, jak i w domowych systemach. Oba te elementy pełnią podstawową funkcję, jaką jest zmiana częstotliwości napięcia, jednakże realizują je w innym zakresie. Falowniki przekształcają prąd stały w prąd przemienny, ale bez możliwości regulacji parametrów wyjściowych. Przemienniki częstotliwości natomiast pozwalają na ich kalibrację. Dlaczego więc terminy te bywają używane zamiennie i czy słusznie? O tym między innymi będzie dzisiejszy wpis. Zapraszamy do lektury!

Spis treści

Budowa i zasada działania

Falownik a przetwornica częstotliwości – czym się różnią i jakie posiadają podobieństwa? Warto postawić sobie takie pytania, zanim zdecyduje się na jeden z tych elementów. Aby już na początku móc rozróżnić oba omawiane typy urządzeń, najlepiej wziąć pod uwagę ich budowę oraz zasadę działania. Już na podstawie elementów, które są składowymi falownika czy przemiennika, jest się w stanie wywnioskować ich odmienny tryb pracy.

Falowniki i Przemienniki Częstotliwości
Falowniki Przemienniki częstotliwości
Budowa
  • Jest to prosty układ elektroniczny przekształcający prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC).
  • Ich główne elementy to tranzystory mocy (IGBT bądź MOSFET) oraz układy sterujące PWM.
  • To rozbudowane falowniki wyposażone w układ prostownika, kondensatory filtrujące i sterowanie częstotliwością.
  • Składają się z prostownika (AC → DC), obwodu pośredniego (DC) oraz falownika (DC → AC).
Zasada działania
  • Na wejściu odbierają prąd stały (DC) ze źródła, np. akumulatora, panelu PV bądź prostownika.
  • Następnie układ przekształca sygnał przy pomocy tranzystorów mocy (IGBT lub MOSFET), generując napięcie przemienne na podstawie sygnałów PWM.
  • Na wyjściu uzyskuje się prąd przemienny o stałych parametrach (częstotliwości oraz amplitudzie).
  • W ograniczonym zakresie PWM (modulacja szerokości impulsu) sterują napięciem i częstotliwością, lecz standardowo są ustalone stałe wartości tych parametrów.
  • W układach z falownikami można na wejściu zastosować odpowiednie zabezpieczenia przed przepięciami, zwiększając ich bezpieczeństwo.
  • Na wejściu pobierają prąd przemienny (AC) z sieci zasilającej.
  • Dalej następuje prostowanie – wbudowany prostownik konwertuje wejściowy prąd przemienny (AC) na prąd stały (DC).
  • Następnie sygnał przekazywany jest do obwodu pośredniego DC, gdzie jest stabilizowany. W ten sposób eliminowane są również zakłócenia napięcia.
  • Kolejnym etapem jest dotarcie prądu stałego z obwodu pośredniego do układu falownika i przekształcenie go na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości oraz napięciu.
  • Natomiast sterowanie tranzystorami falownika zachodzi przy pomocy zadanych przez operatora algorytmów, które odpowiadają za dopasowanie częstotliwości oraz napięcia sygnału do aktualnego obciążenia układu.
  • Przemienniki częstotliwości posiadają również układy zabezpieczeń, które mają za zadanie chronić całą instalację wraz z siecią oraz urządzeniami końcowymi przed przeciążeniami w postaci przebić czy skoków napięcia.

Standardowe wykorzystanie urządzeń

Falownik a przemiennik częstotliwości – które urządzenie jest bardziej wszechstronne? Oprócz porównania budowy oraz zasady działania obu typów urządzeń warto zestawić ze sobą również obszary ich zastosowania. Na podstawie powyższego porównania można zauważyć, że falowniki są elementami o wiele prostszej konstrukcji. Stąd też służą także prostszym zadaniom. W jakich układach się je stosuje? Falowniki znaleźć można m.in. w:

  • układach klimatyzacji i wentylacji (sterowanie wentylatorami),
  • systemach hydraulicznych (zarządzanie pompami),
  • instalacjach grzewczych (regulacja pracy źródeł ciepła i instalacji rozprowadzającej energię termiczną),
  • instalacjach PV (niezbędne w każdym układzie fotowoltaicznym – przekształcanie prądu stałego, produkowanego przez ogniwa, w użyteczny prąd przemienny).

Nieco inaczej jest z przetwornicą, która ma bardziej skomplikowaną budowę, co udowodniliśmy w powyższej tabeli. Z tego powodu tego typu urządzenia wykorzystuje się w zaawansowanych i wymagających instalacjach przemysłowych. Budowa oraz zasada działania przemienników częstotliwości sprawiają, że umożliwiają one precyzyjniejsze sterowanie w przeciwieństwie do zwykłego falownika, a także dają większą swobodę w przypadku układów o zmiennym obciążeniu. O jakich instalacjach mowa?

Rozbudowane przetwornice znajdziemy we wszelkich rozwiązaniach wymagających użycia regulowanych napędów w postaci silników elektrycznych. Dzięki przemiennikom jest się w stanie w kontrolowany i bezpieczny sposób sterować takimi parametrami jak chociażby:

  • częstotliwość wyjściowa,
  • napięcie wyjściowe,
  • moment obrotowy,
  • prędkość obrotowa,
  • kierunek obrotów,
  • przyspieszenie i opóźnienie.

Oprócz tego przemienniki częstotliwości dają możliwość sterowania hamowaniem dynamicznym i kontrolowania parametrów ochronnych, a także wpływania na zużycie energii przez system. W ten sposób łatwo zauważyć, że przetwornice korzystnie wpływają na wydajność oraz ekonomiczność przeprowadzanych procesów przemysłowych.

Czy jednak na podstawie powyższego zestawienia istnieją wskazania na ich zamienne stosowanie, a co za tym idzie, także posługiwanie się ich nazwami jak synonimami? Z uwagi na fakt, że falownik stanowi element przemiennika, można pokusić się o stwierdzenie, że ten drugi jest jedynie jego rozbudowaną wersją. Jednakże patrząc na zupełnie inne zastosowanie, należałoby konsekwentnie trzymać się odpowiedniej nomenklatury. Niektórzy jednak – w tym także inżynierowie – stawiają na bardziej ogólnikowe nazywanie tych urządzeń z uwagi na fakt, że ostatecznie ich funkcje dokładnie określają, czym są. Bywa bowiem tak, że odpowiednio wyposażone falowniki z powodzeniem zastępują przetwornice częstotliwości, co czasami może być bardziej ekonomicznym rozwiązaniem.

Falownik a inwerter – czym się różnią?

Poruszając temat związany z tego typu urządzeniami, warto także wspomnieć o określaniu ich jako inwertery. Najczęściej jednak spotkać się można z taką nazwą w przypadku opisywania prostszych falowników. Doskonałym przykładem są układy fotowoltaiczne, gdzie standardowo zakłada się właśnie inwerter, czyli prosty falownik. W przypadku systemów PV posiadających dodatkowo magazyny energii stawia się również na tzw. falownik hybrydowy, czyli taki, który zarówno dostarcza prąd do budynku, jak i jest w stanie przekształcić go oraz zmagazynować w akumulatorze. Oczywiście zazwyczaj w takich instalacjach stosuje się odpowiednie zabezpieczenia, a także sterowniki, lecz nadal wymagania wobec inwerterów nie są tak duże jak w przypadku przemienników częstotliwości.

Wybór odpowiedniego urządzenia

Znając nieco więcej informacji na temat falowników oraz przetwornic częstotliwości, można przygotować się do wyboru odpowiedniego urządzenia. Na początku, chcąc dopasować element do danej aplikacji, warto ustalić, jakiego typu obsługi potrzebujemy. To, jaki wybrać falownik bądź przetwornik częstotliwości, zależy bowiem od wymagań technicznych, które definiuje się na początku projektowania instalacji fotowoltaicznej, innej infrastruktury budynku czy układu przemysłowego.

Falownik falownikowi nierówny

W przypadku prostych układów PV, zmieniających prąd stały na przemienny, można rozpatrywać wybór falownika 1- bądź 3-fazowego – w zależności od mocy całej instalacji. Gdy natomiast planujemy montaż magazynu energii, należy stawiać na wspomniany wcześniej falownik hybrydowy. Oprócz tego warto sprawdzić parametry techniczne, np. na stopień ochrony IP, istotny ze względu na niekorzystne warunki zewnętrzne (farmy PV).

Systemy sterowania napędami, czyli wyższy stopień zaawansowania

Kwestia przetwornic częstotliwości jest bardziej złożona, ponieważ to, jaki wybrać układ, zależy od skomplikowania i funkcji urządzeń końcowych projektowanych instalacji przemysłowych. Dodatkowo w przypadku rozbudowanych systemów – produkcyjnych, przetwórczych czy kontrolnych – zazwyczaj zwiększa się zapotrzebowanie na wiele rodzajów przemienników odpowiedzialnych za różne zadania. Może to być m.in. przetwornik częstotliwości zmieniający sygnał na napięcie, niezbędny przy pomiarach rozmaitych parametrów pracy napędów czy innych elementów roboczych. Możliwości jest wiele!

Na jakie jednak atrybuty należy zwracać uwagę podczas doboru przemienników? Urządzenie warto dopasować pod kątem wcześniej wspomnianych parametrów, a także:

  • charakterystyki obciążenia, w tym momentu startowego czy dokładności regulacji,
  • kompaktowości, czyli możliwości adaptacyjnych w małych przestrzeniach,
  • ceny (przy mniejszych wymaganiach technicznych zawsze można zaprojektować bardziej ekonomiczny układ z falownikiem).

Przykładowe urządzenia

Aby zauważyć różnice występujące między falownikami a przetwornicami częstotliwości, warto zwrócić uwagę na różnorodne oferty ich producentów. Zaawansowane przetwornice częstotliwości, takiej marki jak Danfoss czy VACON, to w większości modele przeznaczone do rozbudowanych systemów sterowania. To m.in. Danfoss VLT® AutomationDrive czy VACON® NXP, szeroko wykorzystywane w przemyśle. Jednakże tacy producenci również dostarczają proste falowniki, przeznaczone do podstawowego zadania, jakim jest zamiana prądu stałego na użytkowy, czyli przemienny.

Na podstawie powyższych zestawień można zauważyć, że przemienniki częstotliwości to bardziej zaawansowane urządzenia. Jednakże warto pamiętać, że bez falownika nie byłyby one w stanie pracować. Budując instalację, zawsze trzeba znać jej przeznaczenie, robocze parametry techniczne oraz wymagania, aby dopasować układ sterowania. W przypadku prostych systemów, m.in. tych odpowiedzialnych za obsługę instalacji fotowoltaicznych, sprawdzą się zwykłe falowniki. Natomiast przemysłowe układy sterujące napędami o dużych mocach wymagają już zaawansowanych przemienników częstotliwości. To, jakie urządzenie okaże się niezbędne, można ocenić samodzielnie bądź poprosić ekspertów z dziedziny instalacji sterujących.