Co to jest falownik?

0

Co to jest falownik? Kompletny przewodnik techniczny

Falownik (ang. inverter) to urządzenie energoelektroniczne, którego głównym zadaniem jest zamiana prądu stałego (DC) na prąd przemienny (AC) o żądanej częstotliwości i amplitudzie. W praktyce falowniki są podstawą współczesnych napędów elektrycznych, energetyki odnawialnej, systemów UPS oraz wielu urządzeń domowych i przemysłowych.

W dużym uproszczeniu – falownik wytwarza napięcie przemienne takie, jakie aktualnie jest potrzebne odbiornikowi. Dzięki temu pozwala sterować prędkością silników, synchronizować się z siecią energetyczną lub zasilać urządzenia z akumulatorów i paneli PV.

Dlaczego falownik jest tak ważny?

W świecie nowoczesnej automatyki i energetyki falownik pełni rolę „mózgu” sterującego przepływem mocy. Umożliwia:

  • płynną regulację prędkości obrotowej silników AC,
  • kontrolę momentu obrotowego,
  • oszczędność energii nawet do 50% podczas pracy pomp i wentylatorów,
  • zasilanie prądem przemiennym z akumulatorów, paneli PV i magazynów energii,
  • stabilizację napięcia i częstotliwości,
  • kompensację mocy biernej i filtrację harmonicznych.

To jedna z najważniejszych technologii energoelektroniki ostatnich dekad.

Jak działa falownik? (zasada działania)

Działanie falownika można podzielić na trzy główne etapy:

1. Zasilanie prądem stałym (DC)

Falownik pracuje na napięciu stałym. Źródło DC może pochodzić z:

  • mostka prostowniczego (w napędach silników),
  • paneli fotowoltaicznych (falowniki PV),
  • akumulatorów (UPS-y, przetwornice),
  • superkondensatorów lub magazynów energii.

Zanim napięcie trafi do elementów kluczujących, przechodzi przez filtry i kondensatory, które stabilizują jego poziom.

2. Przełączanie napięcia DC za pomocą tranzystorów mocy

Sercem falownika są tranzystory energoelektroniczne, zwykle:

  • IGBT (duża moc, 400–1200 V),
  • MOSFET (wysokie częstotliwości),
  • SiC MOSFET (nowa generacja, wysoka sprawność),
  • GaN (bardzo szybkie przełączanie).

Każdy tranzystor jest sterowany impulsami PWM (ang. Pulse Width Modulation), które tworzą „poszatkowany” przebieg.

Układ przełączania tworzy najczęściej mostek falownikowy:

  • pół-mostek (2 tranzystory),
  • pełny mostek (4 tranzystory),
  • trzy pół-mostki dla silników trójfazowych (6 tranzystorów).

3. Generowanie przebiegu AC metodą PWM

Tranzystory są załączane w taki sposób, by na wyjściu powstał przebieg sinusoidalny o określonej:

  • częstotliwości (np. 10–60 Hz w napędach),
  • napięciu (0–400 V dla silników),
  • kształcie przebiegu (czysta sinusoida lub modyfikowana).

W praktyce sam sygnał PWM jest zbyt „poszarpany”, dlatego przebieg przechodzi przez:

  • filtry LC,
  • indukcyjność uzwojeń silnika (która sama wygładza sygnał),
  • transformatory (w falownikach sieciowych).

W efekcie otrzymujemy czyste napięcie przemienne o dowolnych parametrach.

Rodzaje falowników

Falowniki różnią się budową, zastosowaniem i sposobem sterowania.

1. Ze względu na źródło zasilania

• Falowniki napięciowe (Voltage Source Inverter – VSI)

Najpopularniejsze. Przyjmują napięcie DC i sterują amplitudą i częstotliwością AC.

• Falowniki prądowe (Current Source Inverter – CSI)

Rzadziej spotykane. Zasilane z ogranicznika prądowego. Stosowane w aplikacjach dużej mocy (huty, walcownie).

2. Ze względu na przebieg wyjściowy

  • falownik sinusoidalny – czysta sinusoida (UPS, PV),
  • falownik z modyfikowaną sinusoidą – tańszy, do prostych odbiorników,
  • falownik kwadratowy (prostokątny) – obecnie praktycznie nieużywany.

3. Ze względu na funkcję

a) Falowniki do silników (falowniki przemiennikowe, VFD – Variable Frequency Drive)

Umożliwiają regulację:

  • prędkości,
  • momentu,
  • hamowania,
  • kierunku obrotów.

b) Falowniki fotowoltaiczne (PV Inverter)

Zamieniają napięcie DC z paneli PV na AC zsynchronizowane z siecią.

c) Przetwornice awaryjne UPS / przetwornice samochodowe

Zasilanie rezerwowe z akumulatorów.

d) Falowniki hybrydowe

Łączą funkcję:

  • zasilacza awaryjnego,
  • sterownika ładowania,
  • synchronizacji z siecią,
  • buforowania energii w magazynie.

Budowa falownika – kluczowe komponenty

  1. Mostek tranzystorowy IGBT/MOSFET – wytwarza przebieg AC.
  2. Prostownik wejściowy (AC → DC) – tylko w falownikach do silników.
  3. Obwód pośredni z kondensatorami DC-link.
  4. Układ sterowania PWM (mikrokontroler / DSP).
  5. Filtry EMI.
  6. Czujniki prądu i napięcia.
  7. Układy zabezpieczeń:
    • przeciwzwarciowe,
    • przeciążeniowe,
    • temperaturowe,
    • przeciwprzepięciowe.

Zastosowania falowników

Falowniki pracują praktycznie wszędzie w nowoczesnym świecie:

1. Napędy silników w przemyśle

  • przenośniki,
  • pompy,
  • wentylatory,
  • sprężarki,
  • obrabiarki CNC.

2. Energetyka odnawialna

  • falowniki fotowoltaiczne,
  • magazyny energii,
  • turbiny wiatrowe.

3. Zasilanie awaryjne

  • UPS,
  • systemy telekomunikacyjne,
  • instalacje militarne.

4. Transport

  • pojazdy elektryczne (EV),
  • tramwaje i pociągi,
  • wózki widłowe.

5. Elektronika użytkowa

  • klimatyzatory typu inverter,
  • zasilacze komputerowe (PFC),
  • sprzęt RTV.

Sterowanie falownika

W nowoczesnych falownikach stosuje się zaawansowane algorytmy:

  • scalar control (U/f) – najprostsze sterowanie do pomp i wentylatorów,
  • vector control (FOC – Field Oriented Control) – wysoka precyzja momentu,
  • DTC (Direct Torque Control) – szybka regulacja momentu, ABB,
  • SPWM – klasyczna modulacja PWM,
  • SVPWM (Space Vector PWM) – najwyższa sprawność i najniższe zniekształcenia.

Zalety stosowania falowników

  • oszczędność energii (szczególnie w pompach i wentylatorach),
  • łagodny rozruch i hamowanie,
  • mniejsze obciążenie mechaniczne maszyn,
  • większa niezawodność i żywotność urządzeń,
  • możliwość precyzyjnej regulacji parametrów pracy,
  • niższe koszty utrzymania ruchu.

Wady i ograniczenia

  • generowanie harmonicznych (wymaga filtracji),
  • wrażliwość na przepięcia i zakłócenia,
  • wyższa cena w porównaniu z rozruchem bezpośrednim,
  • konieczność odpowiedniego ekranowania i uziemienia kabli silnikowych.

Podsumowanie

Falownik to jedno z najważniejszych urządzeń energoelektroniki, pozwalające na pełną kontrolę nad parametrami prądu przemiennego. Umożliwia płynne sterowanie prędkością silników, pracę instalacji fotowoltaicznych, zasilanie awaryjne, stabilizację parametrów sieci i redistribucję energii. Jego działanie oparte jest na modulacji PWM i tranzystorach mocy, które pozwalają kształtować dowolny przebieg napięcia AC.