Rosnące potrzeby automatyzacji procesów przemysłowych oraz wzrost tempa produkcji i jej efektywności to główne czynniki mające wpływ na rozwój rynku falowników w Polsce i na świecie. Miały w tym również duży udział malejące ceny i skok technologiczny na rynku komponentów półprzewodnikowych. W tej chwili przetwornice częstotliwości spotkać możemy w zasadzie wszędzie: w zakładach przemysłowych, oczyszczalniach ścieków, kawiarniach, restauracjach, centrach handlowych oraz domach mieszkalnych. Ich popularność w sektorze produkcji przemysłowej jest przy tym głównie konsekwencją ich użyteczności jako narzędzi rozruchu i regulacji prędkości silników elektrycznych.

Tradycyjne metody rozruchu i regulacji prędkości
W przeszłości prędkość silników elektrycznych regulowano za pomocą jednej z trzech metod: zmiany poślizgu na skutek włączenia opornika regulacyjnego w obwód wirnika silnika pierścieniowego, zmiany liczby par biegunów silnika lub zmiany częstotliwości zasilającej silnik. O ile ta ostatnia była trudna w realizacji, o tyle wadą dwóch pierwszych był brak pełnej regulacji (skokowa zmiana prędkości), a w przypadku zmiany poślizgu także duże straty energii, awaryjność, duża liczba rezystorów i elementów stykowych oraz znaczne ograniczenia mocy i ilości rozruchów.

Podobne niedoskonałości cechowały tradycyjne metody rozruchu: rozruch bezpośredni, typu Gwiazda/Trójkąt oraz za pomocą softstartera. Pierwsza z nich – choć najbardziej powszechna – ma równocześnie najwięcej niepożądanych skutków ubocznych, w tym głównie bardzo duży prąd rozruchowy (4-8-krotnie większy niż prąd znamionowy) sprzyjający powstawaniu stresów mechanicznych, uderzeń wodnych w pompach czy szarpnięć transporterów. Stosunkowo dużą popularnością cieszy się również rozruch Gwiazda/Trójkąt, który co prawda ogranicza prąd rozruchowy w czasie i jest tani w instalacji, jednak nie do końca rozwiązuje problem wysokiego prądu startowego, a dodatkowo wymaga niskiego momentu startowego i dużej liczby wyprowadzeń kabli. Z kolei rozruch za pomocą softstartera, czyli urządzenia do łagodnego rozruchu i zatrzymywania silników elektrycznych, pozwala na łagodne narastanie prądu (brak stresów mechanicznych i uderzeń prądowych), regulację czasu rozruchu i uzyskanie wysokiego momentu startowego, ale jego wadą jest brak możliwości regulacji prędkości obrotowej silnika, a także niedoskonałość sterowania w przypadku softstarterów ze sterowalnymi dwoma fazami. Ponadto – w zależności od metody startu (regulacja napięciowa bądź momentowa w dwóch lub trzech fazach) oraz liczby sterowalnych faz – prąd rozruchowy generowany podczas startu silnika nadal stanowi 2-6-krotność prądu znamionowego.

Zalety przetwornic częstotliwości
W przeciwieństwie do wymienionych metod rozruch za pomocą przetwornicy częstotliwości pozwala na uzyskanie prądu startowego o wartości nieprzekraczającej tej właściwej dla prądu znamionowego, a także pełną regulację prędkości, ochronę i nadzór nad pracą silnika oraz doskonałą kompensację mocy biernej przy dużej oszczędności energii elektrycznej, niskich kosztach eksploatacyjnych maszyn i minimalnej awaryjności układów.

Typowe przetwornice częstotliwości służą do operowania silnikami asynchronicznymi (indukcyjnymi), ale na rynku spotkać można także przetwornice z algorytmami sterowania przeznaczonymi do silników synchronicznych PMSM (z magnesami trwałymi), reluktancyjnych czy BLDC (bezszczotkowych silników prądu stałego z magnesami trwałymi). Znakomita większość zakładów przemysłowych nadal korzysta jednak z tanich silników indukcyjnych.

Biorąc pod uwagę ciągłą tendencję spadkową cen przetwornic oraz liniowy wzrost ich możliwości w skali czasu, wydaje się, że zapotrzebowanie na te urządzenia w najbliższych latach będzie dynamicznie wzrastać – niezależnie od typu stosowanych silników.

Budowa i zasada działania falownika
W każdym przemienniku częstotliwości wyróżnić możemy cztery główne bloki składowe (patrz ilustracja 1): prostownik (tzw. stopień wejściowy), układ obwodu pośredniego, człon falownikowy właściwy (stopień wyjściowy) oraz układ sterowania, regulacji i nadzoru.

Głównym zadaniem prostownika przetwornicy jest wyprostowanie prądu zmiennego pobieranego z danego źródła. Możemy wyróżnić kilka jego konstrukcji: prostownik diodowy niesterowalny o różnej liczbie pulsów (6, 12, 18, 24 lub więcej), w połowie sterowalny (diodowo-tyrystorowy) oraz w pełni sterowany oparty na tranzystorach IGBT. Najbardziej powszechne – ze względu na swoją cenę – są konstrukcje oparte na prostownikach diodowych. Ich wadą jest jednak duży wpływ na współczynnik zawartości harmonicznych (THD): prostownik diodowy jest obciążeniem nieliniowym, które bardzo mocno wpływa na odkształcenia prądu. By zredukować współczynnik THD do odpowiedniej wartości, należy użyć jednego z dostępnych filtrów THD: dławików wejściowych, dławików w obwodzie DC, filtrów pasywnych LCL lub filtrów aktywnych THD.

Wyprostowane napięcie pulsacyjne na wyjściu z prostownika ma wartość rzędu 1,35 wartości skutecznej napięcia międzyfazowego sieci. Następnie sygnał trafia do obwodu pośredniego składającego się przeważnie z kondensatora lub banku kondensatorów. Obwód pośredni pełni podwójną funkcję: wygładza napięcie pulsacyjne oraz magazynuje energię niezbędną do napędzania silnika. Bardzo często w obwodzie pośrednim producenci umieszczają również dławik DC redukujący zawartość harmonicznych i poprawiający współczynnik mocy oraz tranzystor (czopper) hamowania, który okazuje się niezbędny w sytuacji, gdy wymagane jest bardzo szybkie zatrzymanie dużej bezwładności na wale silnika.

Za obwodem pośrednim przetwornicy znajduje się człon właściwy falownika podłączony do silnika, który transformuje wyprostowane napięcie DC na napięcie zmienne AC o odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości. Głównymi członami falownika są sterowane półprzewodniki mocy – niegdyś tyrystory, dziś (ze względu na szybszy czas przełączania) tranzystory IGBT, czyli tranzystory bipolarne z izolowaną bramką. Praca półprzewodników jest dwustanowa (stąd często określenie „klucz tranzystorowy”), a częstotliwość ich przełączania sięga 20 KHz (20 000 zmian na sekundę!). Półprzewodniki przełączane są za pomocą sygnałów sterowania generowanych w układzie sterowania przetwornicy wedle różnych algorytmów i metod. Obecnie najczęściej spotykaną metodą jest modulacja szerokości impulsów PWM polegająca na określeniu przez obwód sterowania czasu trwania okresów załączania i wyłączania odpowiednich par tranzystorów. Trzy gałęzie falownika (po dwa tranzystory na gałąź) generują osiem możliwych kombinacji otwarcia/zamknięcia zaworów półprzewodnikowych. W ten sposób powstaje osiem różnych wektorów napięcia na wyjściach falownika (patrz ilustracja 2). Pozostałe wektory pośrednie otrzymuje się przez sumowanie wybranych wektorów głównych przez odpowiednie czasy.

Metody regulacji częstotliwości
W zależności od częstotliwości kluczowania zaworów półprzewodnikowych na wyjściu falownika pojawia się sinusoida o mniej lub bardziej łagodnym kształcie (patrz ilustracja 3). Przeważnie użytkownik ma możliwość ustawienia odpowiedniej częstotliwości nośnej w samym urządzeniu: jeśli będzie ona za wysoka, wydzieli się zbyt dużo ciepła, co wiąże się ze stratą mocy przetwornicy (producenci przeważnie podają wykresy zależności częstotliwości nośnej od mocy w instrukcjach obsługi); zbyt niska wartość powoduje z kolei, że silnik może zacząć hałasować.

Każda produkowana obecnie przetwornica częstotliwości ma możliwość sterowania zarówno skalarnego, jak i wektorowego. Sterowanie skalarne (często nazywane sterowaniem U/f) jest najprostszym trybem sterowania silnika stosowanym od lat 70. ubiegłego wieku. Tryb ten bazuje na stałym stosunku napięcia do częstotliwości zapewniającym wytworzenie znamionowego strumienia magnetycznego w silniku, a co za tym idzie – uzyskanie maksymalnego momentu obrotowego. Wadą tej metody jest bardzo niski moment przy niskich częstotliwościach – często zbyt mały, by móc operować z dużymi bezwładnościami. Stąd też sterowanie skalarne stosuje się przeważnie dla obciążeń zmiennomomentowych (w pompach czy wentylatorach).

W przypadku operowania z obciążeniami stałomomentowymi lub dużymi inercjami wymagającymi dużego momentu startowego należy wybrać sterowanie wektorowe (opisane wyżej jako modulacja PWM ze sterowaniem wektora napięcia). Sterowanie wektorowe jest bardziej wyrafinowane: często by skorzystać z tej metody, należy podać wszystkie dane znamionowe silnika, takie jak prąd, napięcie, moc, liczba obrotów, liczba biegunów, poślizg czy współczynnik mocy. Następnie przetwornica wykonuje operacje tzw. autotuningu silnika, czyli w sposób automatyczny wylicza pozostałe dane silnika z rotacją i bez rotacji (rezystancję i induktację uzwojeń, stałą czasową rotora i wiele innych). Przy sterowaniu wektorowym przetwornica korzysta z modelu matematycznego silnika zaimplementowanego w procesorze sygnałowym. Dlatego tak ważne jest, by zawsze zapisywać w przetwornicy dane silnika (im więcej i dokładniej, tym lepsza kontrola) i okresowo przeprowadzać operację autotuningu (parametry silnika zmieniają się z upływem czasu i zmianą warunków środowiskowych).