Silnik elektryczny B5 i B14 - czy mogą być zasilane fotowoltaiką?

Czy silnik elektryczny B5 i B14 może być zasilany fotowoltaiką? Krótka odpowiedź brzmi: tak, ale nigdy bezpośrednio z paneli. Moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały o napięciu zależnym od nasłonecznienia i temperatury, a typowy silnik indukcyjny – trójfazowy lub jednofazowy – potrzebuje prądu przemiennego o stałej częstotliwości i stabilnym napięciu. Pomiędzy panelem a silnikiem zawsze musi więc pracować urządzenie energoelektroniczne, które tę energię przetworzy. Zasilanie silnika z fotowoltaiki jest zatem kwestią doboru tego pośrednika, a nie samego silnika.

Na wstępie warto rozwiać jedno nieporozumienie: forma montażowa nie ma tu żadnego znaczenia. Kołnierz B5 lub B14 decyduje o tym, jak silnik przykręca się do maszyny, a nie o tym, jakim prądem może być zasilany. Silnik łapowy, kołnierzowy i łapowo-kołnierzowy o tych samych danych elektrycznych zachowują się wobec instalacji PV identycznie. O tym, czy układ zadziała, decydują: napięcie i liczba faz silnika, jego moc i prąd rozruchowy oraz rodzaj falownika w instalacji fotowoltaicznej.

Poniżej omawiamy trzy realne scenariusze – instalację podłączoną do sieci, układ wyspowy z akumulatorami i bezpośredni napęd pompy z paneli – oraz pułapki, na które trafia się najczęściej.

Skąd bierze się prąd przemienny w instalacji PV

W każdej instalacji fotowoltaicznej kluczową rolę odgrywa falownik (inwerter). Zamienia on prąd stały z łańcucha modułów na prąd przemienny 230 V lub 3 × 400 V o częstotliwości 50 Hz. Dopiero ta energia trafia do gniazd, rozdzielnicy i odbiorników – w tym silników.

Rozróżniamy trzy główne typy inwerterów:

• sieciowy (on-grid) – pracuje synchronicznie z siecią energetyczną; bez sieci się wyłącza ze względów bezpieczeństwa;
• wyspowy (off-grid) – sam wytwarza napięcie przemienne, zwykle z energii zgromadzonej w akumulatorach;
• hybrydowy – łączy obie funkcje: pracuje z siecią, a przy jej braku może zasilać wydzielone obwody z baterii.

Od tego, który z nich masz, zależy odpowiedź na pytanie o silnik.

Scenariusz 1: instalacja on-grid – silnik po prostu pracuje z sieci

To najczęstszy przypadek w domach, gospodarstwach i warsztatach. Panele na dachu, inwerter sieciowy, licznik dwukierunkowy. Silnik podłączony do instalacji budynku nie „wie”, skąd pochodzi energia. Gdy świeci słońce, część lub całość mocy pobieranej przez silnik pokrywa produkcja z paneli; gdy produkcja jest za mała, resztę dostarcza sieć. Jeżeli PV daje więcej, niż zużywają odbiorniki, nadwyżka płynie do sieci.

W tym scenariuszu nie trzeba nic zmieniać w samym napędzie. Ważne są natomiast dwie kwestie:

• Liczba faz. Silnik trójfazowy 400 V wymaga zasilania trójfazowego w budynku. Mała instalacja PV z jednofazowym inwerterem nie „zrobi” trzech faz – oddaje energię na jedną z nich, a bilans rozlicza licznik.
• Czas pracy. Aby energia z paneli była zużywana na miejscu, opłaca się planować pracę napędów – pomp, mieszadeł, wentylatorów, sprężarek – w godzinach produkcji. Taki prosty zabieg zwiększa autokonsumpcję, czyli udział własnej energii w zasilaniu odbiorników.

Prąd rozruchowy silnika w układzie on-grid pokrywa sieć, więc inwerter PV nie musi go „udźwignąć”. Zabezpieczenia obwodu silnika dobiera się tak samo jak bez fotowoltaiki.

Scenariusz 2: układ off-grid lub hybrydowy z akumulatorami

Inaczej wygląda sytuacja tam, gdzie nie ma sieci: na działce, w odległym budynku gospodarczym, przy pompie na łące. Wtedy jedynym źródłem napięcia przemiennego jest inwerter wyspowy zasilany z akumulatorów ładowanych przez panele. Silnik elektryczny staje się dla takiego układu wymagającym odbiornikiem z trzech powodów.

Prąd rozruchowy

Silnik indukcyjny uruchamiany bezpośrednio pobiera w pierwszej chwili prąd kilkukrotnie większy od znamionowego – dokładną krotność podaje producent w karcie katalogowej. Inwerter wyspowy ma określoną moc ciągłą i chwilową moc szczytową. Jeśli szczyt rozruchowy jej przekroczy, inwerter zgłosi przeciążenie i wyłączy wyjście albo silnik nie zdoła się rozpędzić. Dlatego moc inwertera dobiera się z wyraźnym zapasem względem mocy silnika i sprawdza się jego parametry przeciążeniowe w dokumentacji.

Jakość napięcia

Silnik potrzebuje napięcia o przebiegu zbliżonym do sinusoidy. Tanie przetwornice o tzw. zmodyfikowanej sinusoidzie powodują dodatkowe grzanie i hałas, a silniki jednofazowe z kondensatorem mogą pracować nieprawidłowo. Do zasilania silników wybiera się inwertery z czystą sinusoidą.

Liczba faz

Większość małych systemów wyspowych daje jedną fazę 230 V. Silnik trójfazowy można w takim układzie zasilić przez falownik silnikowy z wejściem jednofazowym i wyjściem 3 × 230 V – pod warunkiem, że tabliczka silnika dopuszcza połączenie w trójkąt na 230 V. Falownik silnikowy rozwiązuje przy okazji problem rozruchu: rozpędza silnik łagodnie, rampą częstotliwości, więc pobór prądu z inwertera wyspowego nie skacze gwałtownie. Szczegóły tego rozwiązania opisuje poradnik o współpracy silnika z falownikiem.

Scenariusz 3: napęd bezpośrednio z paneli przez przemiennik solarny

Na rynku funkcjonują przemienniki częstotliwości przystosowane do zasilania wprost z łańcucha modułów PV, bez akumulatorów. Najczęściej stosuje się je do pomp nawadniających i pomp głębinowych. Urządzenie przyjmuje prąd stały z paneli, śledzi punkt mocy maksymalnej i zasila silnik zmienną częstotliwością: przy pełnym słońcu pompa pracuje szybko, przy zachmurzeniu zwalnia, a przy zbyt słabym nasłonecznieniu staje.

Taki układ ma sens w pracach, w których zmienna wydajność nie przeszkadza – na przykład przy napełnianiu zbiornika, który i tak pełni rolę bufora. Nie nadaje się do napędów wymagających stałej prędkości lub pracy na żądanie. Przemiennik musi być do tego przeznaczony przez producenta; zwykły falownik silnikowy nie zawsze toleruje zasilanie wprost z paneli, więc trzeba to sprawdzić w jego instrukcji.

Zasilanie silnika z fotowoltaiki – porównanie scenariuszy

Jak przygotować dane do doboru – lista kontrolna

Zanim zaczniesz rozmowę z instalatorem fotowoltaiki lub dobierzesz falownik, zbierz poniższe informacje. Większość znajdziesz na tabliczce znamionowej silnika; jak ją odczytać, wyjaśnia artykuł o parametrach z tabliczki znamionowej.

1. Moc znamionowa silnika w kW i prąd znamionowy.
2. Napięcie i układ połączeń: 230/400 V (trójkąt/gwiazda) czy 400/690 V; dla silników jednofazowych – obecność kondensatora rozruchowego.
3. Charakter obciążenia: czy silnik startuje pod obciążeniem (sprężarka, przenośnik), czy lekko (wentylator, pompa odśrodkowa).
4. Liczba uruchomień na godzinę i czas pracy w ciągu dnia.
5. Czy potrzebna jest stała prędkość, czy dopuszczalna jest jej zmiana.
6. Rodzaj inwertera PV, jego moc ciągła i szczytowa, liczba faz wyjściowych.
7. Czy w obwodzie jest wyłącznik silnikowy i czy jego nastawa odpowiada prądowi silnika.

Metody łagodzenia rozruchu – od gwiazdy-trójkąta po softstart i falownik – porównuje poradnik o metodach rozruchu silnika trójfazowego. W układach wyspowych to właśnie wybór metody rozruchu najczęściej rozstrzyga, czy napęd będzie działał stabilnie.

Przykład z praktyki: pompa w budynku gospodarczym bez sieci

Właściciel budynku gospodarczego bez przyłącza energetycznego chce napędzać pompę z silnikiem trójfazowym 0,75 kW, przykręconym kołnierzem B14 do korpusu pompy. Ma jednofazowy inwerter wyspowy i akumulatory. Bezpośrednie podłączenie nie wchodzi w grę – brak trzech faz. Rozwiązaniem jest falownik silnikowy 1 × 230 V na wejściu i 3 × 230 V na wyjściu, a silnik łączy się w trójkąt (jeśli tabliczka podaje 230/400 V). Falownik rozpędza pompę w kilka sekund, więc inwerter wyspowy nie widzi gwałtownego udaru prądu. Pozostaje sprawdzić, czy moc inwertera i pojemność akumulatorów wystarczą na planowany czas pracy. Przykładowe urządzenie tej klasy to falownik wektorowy GD20 1,5 kW z zasilaniem 1 × 230 V – dobrany z zapasem mocy względem silnika.

Wszelkie połączenia w rozdzielnicy, po stronie prądu stałego i przemiennego, powinna wykonać osoba z uprawnieniami SEP, a instalacja PV musi być zbudowana zgodnie z dokumentacją producenta inwertera.

Najczęstsze pytania

Czy mogę podłączyć silnik bezpośrednio do paneli fotowoltaicznych?

Nie. Silnik indukcyjny prądu przemiennego nie będzie pracował na prądzie stałym z paneli. Zawsze potrzebny jest inwerter sieciowy, wyspowy albo specjalny przemiennik solarny.

Czy silnik B14 zużywa mniej energii niż B5?

Nie z powodu kołnierza. Zużycie energii zależy od mocy, sprawności i obciążenia silnika, a forma montażowa wpływa jedynie na sposób mocowania.

Czy przy zachmurzeniu silnik w instalacji on-grid zwolni?

Nie. W układzie podłączonym do sieci napięcie i częstotliwość utrzymuje sieć. Zmienia się tylko to, jaka część energii pochodzi z paneli, a jaka z sieci.

Jaki inwerter wyspowy wybrać do silnika?

Z czystą sinusoidą, z mocą ciągłą wyraźnie większą od mocy silnika i z mocą szczytową pozwalającą na rozruch. Jeśli rozruch jest ciężki, lepiej zasilać silnik przez falownik silnikowy z łagodną rampą.

Czy silnik trójfazowy zadziała z jednofazowej instalacji PV?

Tak, przez falownik z wejściem jednofazowym, jeśli silnik ma uzwojenie dopuszczające połączenie w trójkąt na 230 V. Moc takiego zestawu jest ograniczona możliwościami falownika i obwodu jednofazowego.

Falowniki do zasilania silników z sieci jednofazowej znajdziesz w kategorii falowniki jednofazowe, a pełną ofertę przemienników w dziale falowniki. Silniki o formie montażowej pasującej do pompy lub maszyny wybierzesz wśród trójfazowych silników kołnierzowych B14.