Coraz częściej w celu poprawy efektywności energetycznej 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. 

Przekształtniki energoelektroniczne

W chłodnictwie stosowanie układów przekształtnikowych jest coraz częściej spotykane. Z uwagi na funkcje, jakie te układy spełniają względem konwersji energii prądu przemiennego i stałego, można systemy przekształtnikowe podzielić na [1]: 

• prostowniki – stosowane do przekształcania energii prądu przemiennego w energię prądu stałego; 
• falowniki zależne i niezależne – umożliwiające przekształcanie energii prądu stałego w energię prądu przemiennego. Falowniki niezależne to przekształtniki przekazujące energię do autonomicznego odbiornika prądu przemiennego; 
• przekształtniki energii prądu stałego – realizujące bezpośrednie i pośrednie przekształcanie energii prądu stałego w energię prądu stałego, charakteryzującą się różnymi wartościami napięć i prądów; 
• sterowniki napięcia przemiennego, bezpośrednie przemienniki częstotliwości, przekształtniki matrycowe, przemienniki częstotliwości z pośredniczącymi obwodami napięcia lub prądu stałego.

W skrótowo przedstawionym podziale układów przekształtnikowych zawarto informacje o kluczowych funkcjach, jakie pełnią falowniki. Stosowane różne systemy układów przekształtnikowych pozwalają uzyskać wymagany przez obciążenie elektryczne przebieg prądu, napięcia lub częstotliwości zasilania energią elektryczną. Poniżej, pokrótce, przedstawione zostaną rozwiązania techniczne falowników stosowane w chłodnictwie.

Falowniki

W instalacjach chłodniczych stosuje się różne przekształtniki energetyczne. Ich funkcja sprowadza się do regulacji prędkością obrotową silników elektrycznych napędzających pompy obiegowe oraz sprężarki chłodnicze. Falowniki stosowane w chłodnictwie coraz częściej posiadają możliwość współpracy z różnymi systemami dostarczania energii elektrycznej. Takimi systemami dostarczającymi energię elektryczną mogą być układy PV, baterie akumulatorów, sieć elektryczna pracująca w trybie wyspy lub sieć elektryczna dostarczająca energię produkowaną przez zewnętrznych wytwórców. W zależności od rozwiązania technicznego oraz sposobu realizacji procesu przekształcania energii elektrycznej istnieje wiele rozwiązań technicznych falowników stosowanych w przemyśle.

Falowniki napięcia

Falowniki napięcia zasila się ze źródeł napięcia jednokierunkowego, w tym również stałego, charakteryzujących się małą impedancją wewnętrzną oraz umożliwiających dwukierunkowy przepływ prądu. Polaryzacja napięcia zasilającego falownik jest ściśle określona i nie może ulec zmianie. Schematy blokowe falowników napięcia przedstawiono na rysunku 1. Falownik napięcia (FN) umożliwia przekazywanie energii elektrycznej zarówno w kierunku od źródła ZN do odbiornika, jak i odwrotnie. Przekazywanie energii elektrycznej od odbiornika do źródła napięcia ZN odbywa się z zachowaniem stałej polaryzacji napięcia wejściowego falownika i jest możliwe, gdy źródło napięcia ZN zapewnia pobieranie tej energii (np. maszyny prądu przemiennego zasilanej z falownika podczas hamowania prądnicowego – np. bateria akumulatorów) [1].

Rys. 1. Schematy blokowe układów przekształcania napięcia jednokierunkowego w napięcie przemienne („a”) oraz przykłady realizacji źródeł napięcia wejściowego falownika (od „b” do „f”) [1]: PD – prostownik, ZN – źródło napięcia jednokierunkowego, FN – falownik napięcia, A – bateria akumulatorów, PT – prostownik sterowany, DC/DC – sterownik napięcia stałego, L – indukcyjność przewodów, R – rezystor rozpraszający

Falowniki prądu

Falowniki prądu służą do przekształcania prądu stałego (jednokierunkowego) w prąd przemienny, jedno- lub wielofazowy o regulowanej wartości i częstotliwości. Prąd w obwodzie wyjściowym falownika ma kształt zbliżony do prostokątnego, natomiast kształt i wartość napięcia na zaciskach wyjściowych zależą od parametrów odbiornika. Charakterystyczną cechą odróżniającą falowniki prądu od falowników napięcia jest brak diod zwrotnych, które są niezbędne w falownikach napięcia. Związane jest to ze zmianą znaku napięcia na zaciskach wejściowych falownika. Kolejną cechą charakterystyczną jest to, że podczas pracy nie można odłączać odbiornika, gdyż może to zniszczyć obwody półprzewodnikowe falownika. Podstawowe zadanie falowników prądu to zasilanie napędów elektrycznych prądu przemiennego dużej mocy (pompy, sprężarki, wentylatory, indukcyjne nagrzewanie) [1].

Falowniki niezależne o sterowaniu impulsowym PWM

W większości przypadków stosuje się falowniki niezależne o sterowaniu PWM (pulse width modulation). Przebiegi napięcia lub prądu wyjściowego są przekazywane do odbiornika w formie ciągu impulsów jedno- lub dwubiegunowych, o modulowanej w czasie szerokości i ścisłe określonej wartości szczytowej w celu odwzorowania przebiegu wartości zadanej (zwykle o kształcie sinusoidy). Falowniki tak sterowane mogą być podzielone na falowniki napięcia PWM oraz prądu PWM [1].

Z uwagi na zastosowanie falowniki prądu PWM spotyka się jako [1]:

• układy napędowe maszyn prądu przemiennego (np. silniki sprężarek chłodniczych); 
• urządzenia rezerwowego zasilania; 
• kompensatory mocy biernej;
• systemy przesyłu energii prądem stałym;
• układy uzdatniania energii pochodzącej z magazynów i źródeł odnawialnych. Z uwagi na zastosowanie, falowniki napięcia spotyka się w [1]: 
• systemach rezerwowego zasilania UPS;
• autonomicznych agregatach prądotwórczych;
• układach uzdatniania energii pochodzącej z magazynów i źródeł odnawialnych; 
• filtrach aktywnych; 
• trójfazowych impulsowych prostownikach PWM.

Regulacja wydatku objętościowego z zastosowaniem falowników

(...)

Sterowanie falownikami silników napędowych sprężarek układów chłodniczych oraz pomp ciepła

Praca powyżej obrotów nominalnych

(...)

Praca poniżej parametrów nominalnych

(...)

Podłączenie elektryczne silnika

(...)

Podsumowanie

Energoelektronika, jako nowa dziedzina nauki zajmująca się zastosowaniem układów półprzewodnikowych w konwersji napięcia i prądu elektrycznego, przyczynia się do rozwoju technologii stosowanych w falownikach. Duża liczba dostępnych rozwiązań układów przekształtnikowych powoduje, że coraz częściej zacierają się ich granice stosowalności. Falowniki niezależne PWM pozwalają na jednoczesne uzdatnianie charakterystyki prądowej jak i napięciowej w obszarze odnawialnych źródeł energii, z których obiegi instalacji chłodniczych również mogą być zasilane niezależnie od zewnętrznego dostawcy energii.

Coraz częściej w celu poprawy efektywności energetycznej 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 zaawansowanych 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 pozwoli dostosować produkt do oczekiwań klienta. W efekcie, na rynku można będzie niedługo spotkać układ falownika ze zintegrowanym sterowaniem innymi procesami – np. sterowaniem zaworem rozprężnym. Tym bardziej, że na chwilę obecną za pomocą jednego falownika można sterować kilkoma silnikami o tej samej konstrukcji z zastosowanymi odpowiednimi zabezpieczeniami termicznymi w uzwojeniu.

dr hab. inż. Robert MATYSKO
– Instytut Maszyn Przepływowych
Polska Akademia Nauk

LITERATURA:

[1] NOWAK M., BARLIK R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Tom 1. WNT. Warszawa 2016.

[2] MATYSKO R.: Falowniki – Regulacja pracy silnika w układach przepływowych. Chłodnictwo i Klimatyzacja 12/2014.