Silnik inwerterowy - budowa, zasada działania, zastosowania, zalety

Silnik inwerterowy (znany również jako silnik z falownikiem) to rodzaj silnika elektrycznego, który jest zasilany przez falownik (inwerter). Falownik przekształca stały prąd (DC) na zmienny prąd (AC), co umożliwia precyzyjną kontrolę prędkości i momentu obrotowego silnika.

Budowa silnika inwerterowego

Silnik inwerterowy składa się z kilku głównych komponentów: stojana z uzwojeniami, wirnika (z klatką lub magnesami trwałymi), falownika, czujników oraz obudowy i systemu chłodzenia. Wszystkie te elementy współpracują, aby zapewnić precyzyjną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, co jest kluczowe dla wielu aplikacji przemysłowych i konsumenckich.

1. Stojan

Stojan jest nieruchomą częścią silnika i składa się z rdzenia zbudowanego z cienkich blach stalowych laminowanych, które zmniejszają straty histerezowe i prądy wirowe oraz uzwojenia wykonanego z miedzianych drutów, ułożonych w żłobkach rdzenia stojana. Uzwojenia są zasilane prądem przemiennym (AC) dostarczanym przez falownik, tworząc pole magnetyczne.

2. Wirnik

Wirnik jest ruchomą częścią silnika i jego budowa różni się w zależności od typu silnika:
- wirnik klatkowy (w silniku indukcyjnym) składa się z rdzenia laminowanego oraz aluminiowych lub miedzianych prętów połączonych na końcach pierścieniami, tworząc strukturę przypominającą klatkę.
- wirnik z magnesami trwałymi (w silnikach PMSM i BLDC) zawiera magnesy trwałe umieszczone na powierzchni lub wewnątrz rdzenia wirnika, które tworzą stałe pole magnetyczne.

3. Falownik

Falownik (inwerter) jest zewnętrznym urządzeniem elektronicznym, które pełni kluczową rolę w pracy silnika inwerterowego. Składa się z prostownika przekształcającego prąd zmienny (AC) z sieci na prąd stały (DC), obwodu posredniego, który magazynuje energię w postaci prądu stałego oraz modułu mocy, który przekształcają prąd stały (DC) z powrotem na prąd zmienny (AC) o regulowanej częstotliwości i amplitudzie. Sterowaniem modułu mocy silnika zajmuje się mikroprocesor lub mikrokontroler, zapewniający precyzyjną kontrolę prędkości, momentu obrotowego i innych parametrów silnika.

4. Czujniki

Silniki inwerterowe często wyposażone są w różne czujniki, które dostarczają informacje zwrotne do falownika, takie jak czujniki Halla (w silnikach BLDC) do wykrywania pozycji wirnika, enkodery do precyzyjnego pomiaru prędkości obrotowej i pozycji wirnika, czy też termistory lub termopary, monitorujące temperaturę silnika i zapobiegające jego przegrzaniu.

5. Obudowa i elementy chłodzenia

Obudowa chroni wewnętrzne elementy silnika przed kurzem, wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi. Elementy chłodzenia takie jak wentylatory, radiatory lub system obiegu cieczy chłodzącej zapewniają odpowiednią temperaturę pracy silnika.

Zasada działania silnika inwerterowego

Silnik inwerterowy działa na zasadzie precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego poprzez regulację częstotliwości i napięcia zasilania dostarczanego do silnika przez falownik.

Prąd przemienny (AC) z sieci zasilającej jest najpierw przekształcany na prąd stały (DC) za pomocą prostownika, który składa się z diod prostowniczych. Prąd stały jest magazynowany w obwodzie pośrednim, który może zawierać kondensatory wygładzające napięcie. Obwód ten stabilizuje zasilanie przed przekazaniem go do modułu mocy falownika. Moduł mocy falownika przekształca prąd stały (DC) z powrotem na prąd zmienny (AC) o regulowanej częstotliwości i napięciu. Składa się z tranzystorów (np. IGBT, MOSFET), które są sterowane przez układ sterowania.

Układ sterowania (mikroprocesor lub mikrokontroler) generuje sygnały sterujące dla tranzystorów w module mocy. Te sygnały są generowane na podstawie algorytmów sterowania, takich jak sterowanie wektorowe (FOC - Field-Oriented Control) lub sterowanie skalarne (V/f). Sterowanie wektorowe zapewnia precyzyjną kontrolę momentu obrotowego i prędkości, analizując i sterując wektorem pola magnetycznego wirnika. Sterowanie skalarne utrzymuje stały stosunek napięcia do częstotliwości, zapewniając stabilną pracę silnika przy zmiennej prędkości. Uzwojenia stojana są zasilane prądem zmiennym generowanym przez falownik. Prąd przepływający przez uzwojenia tworzy wirujące pole magnetyczne w stojanie, które indukuje prądy w wirniku (w przypadku silników indukcyjnych) lub oddziałuje bezpośrednio z magnesami trwałymi w wirniku (w przypadku silników PMSM i BLDC). To powoduje powstanie momentu obrotowego, który obraca wirnik.

Czujniki (np. czujniki Halla, enkodery) dostarczają układowi sterowania informacje o położeniu wirnika, prędkości obrotowej i innych parametrach pracy silnika. Na podstawie sygnałów z czujników, układ sterowania dynamicznie dostosowuje sygnały sterujące dla falownika, aby utrzymać żądane parametry pracy silnika (prędkość, moment obrotowy).

Podczas pracy silnik i falownik generują ciepło, które musi być skutecznie odprowadzane. System chłodzenia (wentylatory, radiatory, ciecz chłodząca) utrzymuje temperaturę na bezpiecznym poziomie, zapobiegając przegrzaniu.

Zalety silników inwerterowych

• Dzięki precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego, silniki inwerterowe są bardziej energooszczędne niż tradycyjne silniki elektryczne.
• Umożliwiają płynną regulację prędkości obrotowej bez potrzeby stosowania mechanicznych przekładni.
• Zapewniają dokładną kontrolę nad pracą silnika, co jest szczególnie ważne w aplikacjach wymagających precyzyjnego sterowania.
• Dzięki wyższej efektywności energetycznej i mniejszemu zużyciu elementów mechanicznych mają niższe koszty eksploatacji.

Zastosowania silników inwerterowych

Silniki inwerterowe, dzięki swojej efektywności i wszechstronności, stają się coraz bardziej popularne zarówno w przemyśle, jak i w urządzeniach konsumenckich.

Silniki inwerterowe są szeroko stosowane w różnych branżach, m.in.:

• w przemyśle - do napędu maszyn, pomp, wentylatorów i kompresorów;
• w pralkach, lodówkach i klimatyzatorach, gdzie precyzyjna kontrola prędkości i oszczędność energii są kluczowe;
• w pojazdach elektrycznych i hybrydowych do napędu głównego oraz pomocniczych systemów;
• w różnych systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.