Co to jest falownik a co to jest przemiennik częstotliwości? Co ma z tym wspólnego motor i motocykl?

Czytaj artykuł na Poradniku Automatyka >

 

Wielu ludzi, nawet inżynierów używa zamiennie terminów 'falownik' oraz 'przemiennik częstotliwości'. Coraz mniej z nich używa frazy „przemiennik częstotliwości". Skąd taka tendencja? Czy pomiędzy tymi urządzeniami możemy postawić znak równości?

 

Falownik a przemiennik częstotliwości na przykładzie... motocykla

Temat najlepiej przedstawić na prostym przykładzie, dobrze znanym wszystkim fanom jednośladów. Pomiędzy słowami falownik oraz przemiennik częstotliwości istnieje taka sama relacja, jak pomiędzy słowami motor i motocykl – często stosowanymi jako synonimy. Tymczasem motor jest zaledwie częścią motocyklu odpowiedzialną za napęd, inaczej mówiąc – jest to po prostu silnik spalinowy.

Maszyną, będącą złożeniem wielu podzespołów, w tym również motoru, którą steruje kierowca, jest motocykl. Dokładnie tak samo sprawa ma się w naszym przypadku: falownik stanowi jedynie część przemiennika częstotliwości – jest jego podzespołem, odpowiedzialnym za przemianę prądu stałego w prąd zmienny o odpowiedniej częstotliwości.

 

Co to jest falownik
Falownik jest to urządzenie, które zamienia prąd stały, będący jednocześnie jego źródłem zasilania, w prąd przemienny o regulowanej częstotliwości. Analizując tę definicję można by stwierdzić, że zawiera się w niej znaczna część definicji przemiennika częstotliwości. Owszem, może i znaczna, ale wciąż jest to część. Do pełnego przemiennika częstotliwości brakuje przede wszystkim prądu zmiennego o stałej częstotliwości na wejściu.

 

Zastosowania falowników
Tak więc, gdzie możemy spotkać falowniki? Może i ciężko jest sobie wyobrazić je poza przemiennikiem częstotliwości, ale falowniki znajdziemy także w samochodach elektrycznych, gdzie sterują silnikiem asynchronicznym, w tramwajach – przekształcają prąd stały trakcji w prąd zmienny sterujący silnikiem asynchronicznym napędzającym tramwaj, a przede wszystkim w fotowoltaice, jako serce układu zasilania solarnego budynku – choć te działają zupełnie inaczej niż te wymienione wcześniej, ale o tym za chwilę.

 

Kontener z falownikiem trakcyjnym tramwaju, źródło zdjęcia: www.transportszynowy.pl

Falowniki solarne

Falowniki solarne to falowniki wykorzystywane w fotowoltaice. Mają one za zadanie przekształcić napięcie stałe, generowane przez panele lub akumulatory solarne, w napięcie zmienne o określonej fazie, odpowiedniej dla danego zasilanego budynku.

Jak widać, daleko tutaj falownikowi do przemiennika częstotliwości, dlatego też rosnące zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii tworzy poważny konflikt definicyjny pomiędzy tymi dwoma urządzeniami. Ciężko bowiem wyobrazić sobie przemiennik częstotliwości, który zmienia prąd zmienny o stałej częstotliwości w prąd zmienny o stałej częstotliwości – jaki to ma sens?

 

Przykład falownika solarnego marki Duraluxe, źródło zdjęcia www.ledats.pl

 

Co to jest przemiennik częstotliwości

Skoro wiesz już, czym są falowniki, przejdźmy ze wspomnianego wcześniej szczegółu do ogółu. Przemiennik częstotliwości jest zespołem układów, których pełna współpraca zamienia prąd zmienny o stałej częstotliwości w prąd zmienny o regulowanej częstotliwości. Na przemiennik częstotliwości składają się:

• Prostownik – podłączony do zacisków prądu zasilającego przemiennik częstotliwości. Generuje on napięcie stałe na podstawie trzech faz napięcia zmiennego niezbędne do dalszej pracy całego urządzenia. Napięcie ma charakterystykę sinusoidy o niewielkiej amplitudzie i wartości średniej równej napięciu wyjściowemu prostownika.
• Układ pośredni – układ, którego zadaniem jest przede wszystkim wygładzenie napięcia wyprostowanego dwupołówkowo i przekazanie go do falownika.
• Falownik – zgodnie ze wspomnianą wcześniej definicją, zamienia napięcie stałe w regulowane napięcie zmienne o regulowanej częstotliwości zasilający silnik elektryczny.
• Układ sterowania – składa się on z interfejsu użytkownika, a także płytki logicznej. Umożliwia sterowanie przemiennikiem częstotliwości przez operatora i realizuje odpowiednie obliczenia matematyczne i logiczne.
• Układ zabezpieczeń – chroni zarówno przemiennik częstotliwości, jak i sieć, do której jest podłączony, a także silnik elektryczny przed przeciążeniami, skokami napięcia, czy też przebiciami.

 

Zastosowania przemienników częstotliwości
Przemienniki częstotliwości to nieco bardziej skomplikowane urządzenia niż falowniki. Mają one jednak zdecydowanie węższe pole zastosowań. O ile falowniki można spotkać w różnych dziedzinach przemysłu i życia codziennego, o tyle przemienniki częstotliwości stosowane są tylko i wyłącznie do sterowania silnikami elektrycznymi prądu zmiennego.

 Głównym ich zadaniem jest regulacja prędkości obrotowej silników asynchronicznych i synchronicznych. Współczesne przemienniki częstotliwości zapewniają wygodne i bardzo precyzyjne sterowanie realizowane w wielu protokołach i standardach komunikacyjnych. Można śmiało stwierdzić, iż stanowią one trzon współczesnej automatyzacji produkcji.

Przemienniki częstotliwości DRV-23 marki Astraada, źródło zdjęcia: www.astor.com.pl

 

Falownik do silnika – co to znaczy?
Skutkiem coraz częstszego stawiania znaku równości pomiędzy falownikiemoraz przemiennikiem częstotliwości jest powstanie pewnego rodzaju sformułowania pośredniego – „falownik do silnika". Czy jest ono niepoprawne? Ależ skąd! Falowniki, o czym było wspomniane wcześniej, mogą mieć przeróżne zastosowania, dlatego warto sprecyzować, który konkretnie rodzaj falownika mamy na myśli.

„Falownikiem do silnika"jest bowiem wspomniany wcześniej falownik trakcyjny tramwaju, który przekształca napięcie stałe w napięcie zmienne, zasilające silnik. Sęk w tym, że sformułowanie to w praktyce nijak tyczy się samych falowników, a używane jest jako zamiennik dla frazy przemiennik częstotliwości. „Falownik do silnika"stał się zwyczajnie rozgraniczeniem pomiędzy falownikiem jako przemiennikiem częstotliwości, a falownikiemjako falownikiem solarnym, falownikiem samochodowym itp.

Skoro już przy silniku jesteśmy, to do jakiego silnika? Silniki elektryczne to dość duża rodzina produktów, więc mówiąc, że przemiennik częstotliwości zasila silnik elektryczny, posługujemy się bardzo dużym ogólnikiem. Przemienniki częstotliwości służą do zasilania silników trójfazowych, a także jednofazowych prądu zmiennego. W głównej mierze są to silniki asynchroniczne indukcyjne, gdyż te są najpopularniejsze w przemyśle, chociaż niektóre przemienniki częstotliwości mogą zasilić także silniki synchroniczne prądu zmiennego.

 

Falownik a przemiennik częstotliwości – której nazwy używać?
Analizując definicję zarówno falownika, jak i przemiennika częstotliwości, można z łatwością dostrzec znaczące różnice pomiędzy tymi dwoma urządzeniami, ale i również zrozumieć, dlaczego granica pomiędzy nimi jest regularnie zacierana.

Falownik jest tak naprawdę sercem przemiennika częstotliwości. To on realizuje najważniejsze dla użytkownika zadanie i to właśnie jego funkcjonalność jest kluczowa w przemienniku częstotliwości.

Przemiennik częstotliwości mógłby działać bez zaawansowanej logiki, układu zabezpieczeń, protokołów komunikacyjnych, jednak bez falownika i zasilającego go prostownika, nie byłby w stanie realizować głównego zdania, dla którego został stworzony – przemiany częstotliwości.

Fakt ten w połączeniu z bardziej przystępną wymową – nie oszukujmy się, łatwiej jest operować słowem „falownik" niż frazą „przemiennik częstotliwości" – sprawia, że porzucane są wszelkie definicje i zapewne już niedługo falownik zostanie w pełni zaakceptowany jako przemiennik częstotliwości, tak jak motor jako motocykl.

 

Zobacz pozostałe poradniki i artykuły na Poradniku Automatyka.

 

Autor: Rafał Pilch, inżynier pomocy technicznej, ASTOR

Konsultacje techniczne: Jacek Dziedzic, ekspert ds. falowników i przemienników częstotliwości