Zarządzanie pracą różnego rodzaju układów przemysłowych musi stanowić przemyślaną strategię. Wykorzystując do tego celu falowniki, można skutecznie sterować napędami oraz monitorować ich działanie. Przetworniki napięcia odgrywają ważną rolę w kierowaniu pracą silników elektrycznych, umożliwiając regulację prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego. Stąd też wybór odpowiedniego falownika ma istotne znaczenie dla efektywności całego systemu. Jednym z najważniejszych aspektów, na które należy zwrócić uwagę, jest tryb sterowania. Istnieją dwa podstawowe typy przemienników: skalarnie sterowane, oparte na algorytmie U/f, oraz wektorowe, które oferują bardziej zaawansowaną kontrolę. W tym artykule porównamy oba podejścia, wskazując ich zalety, jak również wady. Falownik skalarny a wektorowy – jakimi parametrami technicznymi się różnią?

Spis treści

Podstawowa zasada działania falownika

Na początku warto wspomnieć, czym dokładnie są przemienniki napięcia. To urządzenia elektroniczne, które przekształcają prąd stały na prąd przemienny, umożliwiając regulację prędkości obrotowej silnika. To jednak, w jaki sposób dokładnie działają, zależy od wykorzystanego w nich algorytmu sterowania. Wyróżnia się ich dwa podstawowe typy: skalarne oraz wektorowe. Różnią się przede wszystkim sposobem regulacji momentu obrotowego i prędkości. W sterowaniu skalarnym falownik dostosowuje napięcie wraz z częstotliwością w stosunku do prędkości obrotowej silnika, natomiast w sterowaniu wektorowym odbywa się to na poziomie wektorów prądu i strumienia, co zapewnia znacznie większą precyzję pracy układu.

Sterowanie skalarne – najważniejsze szczegóły techniczne

Ta technologia, oznaczana wzorem U/f, opiera się na proporcjonalnym do prędkości silnika regulowaniu napięcia oraz częstotliwości. Falowniki działające na tej zasadzie regulują prędkość obrotową przy pomocy zmiany częstotliwości napięcia, równocześnie algorytm utrzymuje stałą wartość skuteczną napięcia. Pozwala to na stabilną pracę silnika. Co ważne, rozwiązanie to, ze względu na sposób sterowania, jest wykorzystywane w instalacjach, w których panują warunki pracy zmiennych momentów, a obciążenie napędu nie jest duże. To zazwyczaj układy pomp, wentylatorów czy innych mało energochłonnych aplikacji.

Zalety

  • Możliwości sterowania złożonymi układami – takie przemienniki przede wszystkim umożliwiają podłączenie do nich wielu napędów, co korzystnie wpływa na stworzenie mniej rozbudowanego systemu.
  • Prosta budowa oraz łatwość implementacji – falowniki tego typu są łatwe w instalacji, a także konfiguracji, co czyni je popularnym wyborem w mniej wymagających aplikacjach.
  • Niskie ceny zakupu oraz użytkowania – prostota konstrukcji przekłada się na mniejszy koszt pozyskania sprzętu.

Wady

  • Niska dokładność regulacji momentu obrotowego – zastosowanie falowników skalarnych nie sprawdzi się, gdy założenia techniczne instalacji wymagają wysokiej precyzji układu sterowania.
  • Brak możliwości precyzyjnej kontroli prędkości – w aplikacjach z dynamicznie zmieniającym się obciążeniem falownik skalarny nie zapewni stabilnej pracy, co może prowadzić do niepożądanych wahań prędkości.

Sterowanie wektorowe: działanie i zalety

Istnieje jednak inny sposób kontroli pracy silnika i to bardziej precyzyjny. Sterowanie wektorowe falownika, zwane także bezczujnikowym sterowaniem polowo zorientowanym (FOC od „Field Oriented Control”), to bardziej zaawansowana metoda. Kontrolowane są w niej wielkości wektorowe, takie jak strumień magnetyczny oraz moment elektromagnetyczny. Co to daje w praktyce? Falownik taki zarządza w ten sposób oddzielnie wspomnianymi parametrami, co pozwala na uzyskanie większej precyzji oraz stabilności w szerokim zakresie prędkości. Dodatkowo sterowanie wektorowe wykorzystuje się w aplikacjach z silnikami indukcyjnymi, stosowanymi w przemyśle na dużą skalę.

Zalety

  • Precyzja podczas sterowania – falowniki wektorowe oferują wyjątkowo stabilną pracę napędu, a także pozwalają na zachowanie wysokiej dokładności zadanych parametrów, niezależnie od zmian obciążenia.
  • Możliwość pracy z dużym momentem przy niskich prędkościach – sterowanie wektorowe pozwala na efektywną pracę silnika nawet przy bardzo niskich prędkościach, co jest trudne do osiągnięcia w przypadku sterowania skalarnego. Z tego powodu takie rozwiązanie warto wdrożyć w wymagających instalacjach, np. z sektora przemysłu przetwórczego czy wydobywczego.

Wady

  • Wyższe koszty – falowniki wektorowe, z racji ich większej dokładności oraz dlatego, że są bardziej skomplikowane w budowie, stanowią większy koszt, zarówno w kwestii zakupu, jak i instalacji.
  • Duża złożoność konfiguracji – falownik wektorowy wymaga precyzyjnych ustawień oraz większego nakładu pracy podczas uruchamiania, co może wydłużyć czas instalacji.Brak możliwości obsługi wielu napędów – w przypadku tej metody należy dobierać falownik pojedynczo do napędu, co na pewno ogranicza jego zastosowanie w niektórych układach.
  • Brak możliwości obsługi wielu napędów – w przypadku tej metody należy dobierać falownik pojedynczo do napędu, co na pewno ogranicza jego zastosowanie w niektórych układach.

Różnice pomiędzy sterowaniem skalarnym a wektorowym

To, co wyróżnia obie te metody, to sposób ich działania. W trybie skalarnym praca odbywa się przy stałej częstotliwości, bez kontroli dynamicznych zmian prądu. W trybie wektorowym wymagana jest za to precyzyjna kontrola prądów wyjściowych. Natomiast pozostałe różnice bezpośrednio wynikają właśnie z tych głównych. Wybór między sterowaniem skalarnym a wektorowym bazuje więc . Mowa o wspomnianych już: precyzji kontroli pracy, możliwościach w modulowaniu prędkości obrotowych, zakresie obciążenia układu, kosztów instalacji czy zastosowaniu.

Wybór odpowiedniego typu falownika

Na podstawie przedstawionych argumentów można ocenić, który typ sterowania sprawdzi się w danym układzie. Kiedy postawić na falownik skalarny? Przede wszystkim, wtedy, gdy aplikacja nie wymaga zaawansowanej kontroli momentu obrotowego czy prędkości oraz gdy zakładamy, że obciążenie będzie stałe. W jakim przypadku lepiej jednak wybrać falownik wektorowy? Sprawdzi się w sytuacji konieczności zapewnienia wysokiej dokładności kontroli prędkości oraz momentu obrotowego, zwłaszcza przy zmieniającym się obciążeniu. Wtedy też takie rozwiązanie zapewni najlepsze parametry pracy.

Zapewnienie odpowiedniego sterowania napędami w układach przemysłowych to podstawa ich skutecznej oraz ekonomicznej pracy. Szukanie optymalnych rozwiązań technicznych m.in. wśród falowników skalarnych i wektorowych pozwala na stworzenie nowych, a także ulepszenie istniejących instalacji, działających w różnych branżach. Natomiast samo dopasowanie metod sterowania umożliwia często zmniejszenie kosztów produkcji czy jej przyspieszenie. Stąd też warto rozpatrzyć wykorzystanie specjalistycznych falowników.