Falownik jest to element układu automatyki zamieniający prąd stały na prąd zmienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Najczęściej stosowany jest do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych.

Pierwotnie jako przetwornice częstotliwości stosowane były falowniki tyrystorowe – schemat mostka tyrystorowego przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Mostek tyrystorowy

Obecnie falowniki posiadają znacznie bardziej skomplikowaną strukturę układów elektronicznych. Funkcje jakie są one w stanie realizować znacznie wykraczają poza pierwotne przeznaczenie mostka tyrystorowego. Falowniki obecnie spotykane na rynku pozwalają już nawet na sterowanie sygnałem PWM (pulse – width modulation), gdzie impulsowy sygnał wyjściowy jest kontrolowany przez mikroprocesor. Falowniki wyposażone w mikroprocesor pozwalają na realizację funkcji związanych również z zadanymi algorytmami sterowania np. PID oraz zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego w układach automatyki.

W zależności od wymogów jakie stawia silnik napędowy można również w falownikach zaprogramować pracę, która ograniczy prąd rozruchowy – co pozwala na wyeliminowanie przełącznika gwiazda/trójkąt zwłaszcza dla dużych mocy pobieranych z sieci. Nowoczesne falowniki jednofazowe pozwalają na napęd silnika trójfazowego i są to silniki z możliwością połączeń trójkąt = 230 V i gwiazda = 400 V:ƒƒ

• Stosując falownik z zasilaniem jednofazowym, silnik (230/400 V) należy połączyć w trójkąt (rys. 2.);
• ƒƒStosując falownikiem z zasilaniem trójfazowym 400 V silnik (230/400 V) należy połączyć w gwiazdę (rys. 3.).

Rys. 2. Falownik jednofazowy iE5 firmy LG

Rys. 3. Typoszereg falowników trójfazowych GE – AF-600 FP z możliwością programowania

Dla silników, które podłącza się w trójkąt 3x400 V należy stosować tylko falowniki trójfazowe przy czym stosując falownik z zasilaniem trójfazowym 400 V silnik (400/660 V) należy połączyć w trójkąt.

Dobór falownika do silnika napędzającego sprężarkę chłodniczą, pompę obiegu pośredniczącego, wentylator lub inny element wykonawczy zależy od mocy pobieranej przez niego. W dużej mierze na rynku można znaleźć falowniki jednofazowe pozwalające zasilać silniki trójfazowe o mocy do 2,2 kW. Dla silników o większej mocy należy stosować falowniki trójfazowe.

Regulacja wydatku objętościowego z zastosowaniem falowników

Na rysunku 4. przedstawiono ogólną charakterystykę pracy maszyn wirnikowych (pompy wentylatory, sprężarki) w przypadku regulacji objętościowego wydatku Q poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika napędowego i z uwagi na zmianę charakterystyki rurociągu.

Rys. 4. Charakterystyki regulacyjne maszyną wirnikową (pompa, sprężarka, wentylator)

Regulacja przez zmianę charakterystyki rurociągu (dławienie) związana jest ze zmianą oporów przepływu – w efekcie następuje wzrost ciśnienia dla stałych obrotów silnika – jest to regulacja wydatku kosztowna z uwagi na zmniejszenie przepływu kosztem zużytej energii na podniesienie ciśnienia panującego w rurociągu. W przypadku zmiany obrotów silnika wydatek obniżany jest przy jednoczesnym zmniejszeniu ciśnienia panującego w rurociągu. Obniżenie ciśnienia panującego w rurociągu i zmniejszenie wydatku odbywa się na skutek obniżenia pobieranej mocy przez urządzenie. Ten typ regulacji pozwala na zmniejszenie poboru mocy przez silnik napędowy.

Na rysunku 5. przedstawiono dwie typowe konfiguracje obecnie stosowane przy realizacji sterowania silnikami zasilanymi z falownika. Schemat 5a) przedstawia układ prostej regulacji, gdzie falownik umożliwia sterowanie układem bez dodatkowego regulatora. Sygnał z elementu pomiarowego (np. przetwornik anemometryczny) jest podawany w pętli sprzężenia zwrotnego do falownika, gdzie następuje porównanie jego wartości z wartością zadaną, a następnie odpowiednio wysterowane wyjście podaje odpowiednią moc na silnik napędowy. Schemat 5b) przedstawia system bardziej skomplikowany, gdzie falownik otrzymuje sygnał sterujący np. (4÷20 mA lub 0÷10 V) np. z zaawansowanego sterownika programowalnego i proporcjonalnie do tego sygnału zadaje odpowiednią moc na silnik napędowy.

Rys. 5. Pętla sprzężenia zwrotnego przy sterowaniu falownikiem: a) falownik z funkcją regulatora, b) falownik zintegrowany z silnikiem elektrycznym

Sterowanie za pomocą falowników elektrycznych zainstalowanych bezpośrednio na silniku elektrycznym może odbywać się sygnałem analogowym, w przypadku prostej pętli regulacji automatycznej, bądź za pomocą protokołów komunikacyjnych, w przypadku bardzo rozbudowanej struktury regulacyjnej (np. wielkie hale przechowalnicze). W przypadku falowników, które nie są zintegrowane z silnikiem (rys. 2. i rys. 3.) istnieje możliwość sterowania parametrami procesu za pomocą sygnału zewnętrznego podawanego na układ falownika lub niezależnie od tego sterownika za pomocą wbudowanych algorytmów sterowania.

Sterowanie falownikami silników napędowych sprężarek układów chłodniczych oraz pomp ciepła

Praca powyżej obrotów nominalnych

(...)

Praca poniżej parametrów nominalnych

(...)

Podsumowanie

Coraz częściej by poprawić efektywność energetyczną obiegów chłodniczych stosuje się sterowanie silnikami elektrycznymi za pomocą falowników. Falowniki pozwalają na ciągłą regulację parametrów realizowanego procesu przy jednoczesnym zmniejszeniu poboru energii elektrycznej – w odniesieniu do innych typów regulacji wydatku objętościowego. Nowoczesne falowniki mogą realizować sterowanie przy współpracy z przetwornikami temperatury, ciśnienia itp. Jednocześnie posiadają one duże możliwości komunikacyjne związane z realizowanym procesem.

W najbliższej przyszłości dla obiegów chłodniczych wzrost kosztów inwestycyjnych związanych z implementacją zawansowanych struktur sterowania systemami napędowymi (silnikami) oraz zaworami rozprężnymi za pomocą algorytmów PID zaimplementowanych w jednym sterowniku pozwoli na znaczące obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Gwałtowny rozwój mikroprocesorowych układów elektronicznych stosowanych w falownikach pozwala dostosować produkt do oczekiwań klienta. W efekcie na rynku można będzie niedługo spotkać układ falownika z zintegrowanym sterowaniem innymi procesami – np. sterowaniem zaworem rozprężnym. Już teraz za pomocą jednego falownika możemy np. sterować kilkoma silnikami o tej samej konstrukcji z zastosowanymi odpowiednimi zabezpieczeniami termicznymi w uzwojeniu.

Robert MATYSKO
Instytut Maszyn Przepływowych
Polska Akademia Nauk

Artykuł z miesięcznika Chłodnictwo&Klimatyzacja nr 12-2014