Transformator a falownik: 7 energetycznych konfliktów, które mogą skończyć się pożarem

Czas czytania: 6 min

Transformator i falownik – dwa filary współczesnych instalacji OZE i przemysłowej automatyki. Na papierze: duet idealny. Relacja "transformator a falownik" decyduje o tym, czy energia z fotowoltaiki bezpiecznie trafi do sieci – pierwszy kształtuje napięcie, drugi nadaje kierunek i rytm jej przepływowi. W praktyce? Często poligon doświadczalny, gdzie z pozoru niewinne zakłócenia falownika prowadzą do lokalnych przegrzań, stopień po stopniu uszkadzając izolację transformatora. Aż w końcu – bum. Przepięcie. Zwarcie. Pożar.

Brzmi dramatycznie? Bo tak wygląda rzeczywistość, gdy inżynieria zostaje zepchnięta na margines przez pośpiech lub oszczędność.

W systemach, które codziennie przetwarzają setki kilowatów energii, nie ma miejsca na przypadkowość. Dopasowanie transformatora do pracy z falownikiem to nie sugestia – to warunek niezawodności. Ten wpis odsłania 7 napięć, które w tym „partnerstwie" prowadzą albo do harmonii, albo do awarii.

Dlaczego my o tym piszemy?

W Energeks projektujemy, produkujemy i analizujemy transformatory na co dzień – nie zza biurka, tylko z placów budowy, stacji GPZ i farm PV. Nasze zespoły spotykają się z producentami, wykonawcami i użytkownikami, którzy próbują zrozumieć, dlaczego tranasformator się przegrzewa, dlaczego słychać "piszczenie", dlaczego izolacja nie wytrzymuje. Widzieliśmy pożary. Mierzyliśmy harmoniczne. I wiemy jedno – większości z tych konfliktów da się uniknąć.

Dla kogo jest ten artykuł i co wyniesiesz?

Ten tekst powstał dla Ciebie, jeśli:

- projektujesz lub eksploatujesz systemy z falownikami (PV, UPS, napędy),

- odpowiadasz za dobór transformatorów w projektach OZE, przemysłowych lub infrastrukturalnych,

- chcesz uniknąć kosztownych przestojów, napraw lub – co gorsza – pożaru.

Po lekturze:

✔ poznasz konkretne napięcia fizyczne i logiczne, które zachodzą między falownikiem a trafem,
✔ dowiesz się, jak dobrać odpowiednie trafo do pracy z falownikiem,
✔ zyskasz praktyczne wskazówki, jak projektować i eksploatować ten duet bez ryzyka,
✔ dostaniesz case study i liczby, które przekonają Twój zespół lub inwestora,
✔ od razu zastosujesz wiedzę – lub skonsultujesz się z nami, bez ściemy.

 

Zacznijmy od tej kwestii: Czy prąd z fotowoltaiki musi przechodzić przez transformator? 

To jedno z tych pytań, które pojawia się równie często co słońce nad instalacją PV. Odpowiedź brzmi: to zależy – głównie od skali i napięcia systemu.

W małych instalacjach domowych, gdzie falownik bezpośrednio współpracuje z siecią niskiego napięcia (230/400 V), transformator nie jest wymagany – falownik transformatorowy lub beztransformatorowy przetwarza napięcie stałe z paneli bezpośrednio na zmienne.

Ale gdy wchodzimy na poziom przemysłowy, farmowy czy infrastrukturalny – sytuacja się zmienia. Transformator staje się nie tylko konieczny, ale strategiczny. Dlaczego?

• Przede wszystkim dopasowuje poziomy napięcia (np. z 400 V na 15 kV), by możliwe było podłączenie do sieci SN,
• Separuje galwanicznie instalację PV od sieci, zwiększając bezpieczeństwo eksploatacji,
• Chroni przed rozchodzeniem się zakłóceń, harmonicznych i przepięć między siecią a systemem PV.

Co więcej, transformator ułatwia integrację z urządzeniami zabezpieczającymi, systemami SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition, co po polsku oznacza "nadzór i pozyskiwanie danych") i monitoringiem pracy – a to dziś standard w profesjonalnych instalacjach OZE.  W dalszej częsci artykułu przyjrzymy się, na na jakie energetyczne konflikty narażony jest nasz system i co robić, aby im zapobiec.

 

 

1. Zabójcze harmoniczne: jak PWM z falownika rani uzwojenia transformatora

Jeśli klasyczna sinusoida to jazzowa ballada — płynna, harmonijna, przewidywalna — to sygnał wyjściowy falownika to death metal grany w przyspieszeniu: agresywne impulsy prostokątne przełączane z częstotliwością nawet 10–20 kHz, które trafiają prosto w uzwojenia transformatora. Właśnie tak działa PWM — Pulse Width Modulation — czyli metoda, która poprzez ultraszybkie przełączanie tranzystorów pozwala precyzyjnie sterować napięciem i częstotliwością wyjściową falownika, zmieniając zasilanie silnika w koncert technicznej precyzji.

 

Co się wtedy dzieje?

1. Rdzeń zaczyna generować straty histerezowe i wirowe, których nie przewidziano w standardowym trafo,
2. Uzwojenia przeżywają lokalne przegrzania, bo ich impedancja dla wyższych częstotliwości rośnie,
3. W ekstremalnych przypadkach występuje przebicie izolacji między zwojami, szczególnie przy cienkich lakierowanych drutach.
4. Transformator, który nie jest dostosowany do pracy z falownikiem, nigdy nie "widzi" sinusoidy, tylko miks zakłóceń, napięć pasożytniczych i pików.

Według badań IEEE i Fraunhofera, transformatory zainstalowane za falownikami bez filtrów LC lub bez ekranowania między uzwojeniami mają średnio o 35% skróconą żywotność izolacji. A to tylko jeden parametr.

Wyobraź sobie, że masz wspaniałą maszynę – Ferrari – ale zamiast asfaltu każesz jej jechać po torze przeszkód z gwoździami. Przejedzie? Może. Ale po paru kilometrach zawieszenie się podda. I dokładnie tak czuje się transformator, gdy codziennie musi filtrować sygnał PWM bez odpowiedniej konstrukcji.

Co możesz zrobić?

• Wybieraj transformatory do współpracy z przekształtnikami (certyfikowane, o odpowiedniej częstotliwości pracy),
• Zwracaj uwagę na ekranowanie między uzwojeniami – chroni przed napięciem wspólnym (common mode),
• Dodaj filtr sinusoidalny LC za falownikiem przy dużych obciążeniach lub długich kablach.

Chcesz wiedzieć, jak to wygląda w praktyce? Zobacz, jak błędne dopasowanie falownika prowadziło do pożaru na farmie PV – wszystko opisaliśmy tutaj:

Pożary fotowoltaiki: 5 drastycznych błędów, które prowadzą do katastrofy

 

 

2. Przepięcia udarowe – jak relacja transformator i falownik może zawieść w jednej sekundzie

Na zewnątrz – spokój. Na monitoringu – wszystko zielone. A jednak w środku instalacji właśnie rozgrywa się napięciowy thriller. Choć projektanci zwykle skupiają się na mocy, chłodzeniu i sprawności urządzeń, to właśnie przepięcia udarowe stają się niewidzialnym zagrożeniem. Wystarczy jeden impuls, by relacja transformator i falownik przerodziła się w awarię, która uszkodzi kluczowy komponent w ułamku sekundy.

Jak powstają przepięcia udarowe?

W instalacjach PV i przemysłowych falowniki generują tysiące przełączeń na sekundę. Każde z nich może wywołać przepięcie łączeniowe – krótkotrwały impuls o wartości wielokrotnie przekraczającej napięcie znamionowe. Gdy transformator i falownik są połączone długimi trasami kablowymi, bez ekranowania uzwojeń i filtrów ochronnych, taki impuls nie ma gdzie się rozproszyć. Zamiast tego koncentruje się na najsłabszym punkcie izolacji transformatora, zazwyczaj między warstwami uzwojenia wtórnego.

Przypadek z placu budowy: iskra, której nikt nie zobaczył

Instalacja PV o mocy 800 kW, z przemysłowym falownikiem i transformatorem 400/15 000 V. Brak ekranowania, brak filtrów. Po sześciu tygodniach pracy – awaria. Izolacja pęknięta w kilku punktach, przebicie do rdzenia, miejscowe przegrzanie. Zewnętrzne objawy? Żadne. Ale wewnątrz transformatora – katastrofa.

Analiza wykazała, że przy szybkim wyłączeniu falownika w trybie awaryjnym powstał impuls o wartości 2,3 kV ponad napięcie znamionowe. Relacja transformator i falownik nie została przemyślana na etapie projektu, co doprowadziło do kosztownych skutków.

Dane, które nie dają spać spokojnie

Badania CIGRÉ i IEEE wskazują, że przepięcia udarowe powyżej 1,5× Un mogą uszkodzić izolację transformatora w czasie liczonym w milisekundach.

W transformatorach suchych, które nie są przystosowane do pracy z falownikiem, średni czas do awarii spada nawet o 40% przy regularnych udarach.

Co więcej, tradycyjne zabezpieczenia – różnicowoprądowe i nadprądowe – nie wykrywają takich zjawisk, bo udary trwają zbyt krótko. A kiedy już dojdzie do przebicia izolacji, nie ma odwrotu – transformator do wymiany.

Transformator i falownik – jak zaprojektować tę relację mądrze?

Nie istnieje układ w 100% odporny na przepięcia, ale mądre decyzje projektowe znacząco ograniczają ryzyko. Oto, co warto wdrożyć:

• Transformator a falownik powinny być połączone przez urządzenie z izolacją klasy H (lub wyższej),
• Wybieraj modele z ekranowaniem elektrostatycznym, odprowadzającym impulsy do uziemienia,
• Filtry LC lub dławiki du/dt to obowiązek przy falownikach powyżej 100 kW,
• Sprawdzaj układ uziemień – błędna topologia może pogłębiać skutki przepięć,
• Regularna diagnostyka stanu izolacji transformatora (np. tangens delta, próby napięciowe) pozwala wykryć zagrożenia zanim stanie się kosztowne.

Wszystko rozbija się o jedno: czy projektant i inwestor potraktowali ten duet jako całość, czy jako osobne elementy. Bo transformator i falownik nie mogą działać „obok siebie" – muszą działać razem, jak zsynchronizowany układ nerwowy i mięśniowy.

W przeciwnym razie – nawet najmniejszy impuls staje się początkiem wielkiego problemu.

 

 

3. Napięcie wspólne i pływające potencjały – cicha wojna między układami transformator a falownik

Na pierwszy rzut oka wszystko działa idealnie: system PV generuje moc, falownik pracuje stabilnie, a transformator nie wykazuje żadnych niepokojących sygnałów. Ale właśnie wtedy zaczyna się najgroźniejszy typ konfliktu – cicha wojna napięć wspólnych i potencjałów pływających, która toczy się nie w przewodach, ale w izolacji, na zaciskach, w ekranach i między uzwojeniami.

To nie spektakularna awaria. To systemowe zużycie, które działa jak korozja na statku – powoli, niezauważalnie, aż do momentu, gdy metal przestaje wytrzymywać. I właśnie w takich scenariuszach relacja transformator i falownik przechodzi najpoważniejszy test trwałości.

Czym właściwie jest napięcie wspólne?

Napięcie wspólne (ang. common mode voltage) to różnica potencjałów między przewodami sygnałowymi a ziemią odniesienia. W przypadku współpracy falownika i transformatora, powstaje głównie na skutek:

• modulacji PWM w falowniku,
• asymetrii obwodu uziemiającego,
• braku ekranowania w transformatorze.

W dużym uproszczeniu – falownik „pcha" energię do sieci, ale część tej energii nie znajduje właściwego toru powrotnego i szuka ujścia przez ekran, obudowę, uzwojenie – a czasem przez izolację.

Co się dzieje, gdy transformator i falownik nie są do siebie dopasowane?

W idealnym świecie napięcie wspólne powinno być minimalizowane już na poziomie konstrukcji. Ale w realnych instalacjach:

• transformator bez ekranu elektrostatycznego staje się drogą powrotną dla zakłóceń,
• pojawiają się prądy upływu, które płyną po ekranach, rurach, a nawet... zbrojeniu betonu,
• różnica potencjałów między punktem neutralnym transformatora a uziemieniem falownika prowadzi do punktowych przebić,
• materiały izolacyjne starzeją się szybciej, bo są eksponowane na zmienne gradienty napięcia wspólnego.

Efekt? Zanik izolacyjności, niekontrolowane wyładowania, błędy komunikacyjne, a w dłuższym czasie – uszkodzenie transformatora.

Case study: przemysłowa instalacja 400 V z efektem "tańczącej masy"

W jednej z instalacji przemysłowych, gdzie zastosowano falowniki 55 kW zasilające maszyny CNC (Computer Numerical Control -  sterowane komputerowo urządzenia, które automatycznie wykonują precyzyjne operacje obróbcze, takie jak frezowanie, toczenie, wiercenie czy cięcie, na podstawie wcześniej zaprogramowanych instrukcji), a napięcie było transformowane z 400 V do 690 V, co kilka tygodni dochodziło do błędów sterownika i usterek komunikacji między urządzeniami. Po głębszej analizie odkryto, że między masą falownika a ekranem transformatora występowały zmienne napięcia do 80 V – czyste napięcie wspólne!

Brak ekranu elektrostatycznego i złe uziemienie doprowadziły do stałych upływów prądów zakłócających sygnały cyfrowe, powodując restart falownika, a nawet błędne załączanie styczników. Dopiero wymiana transformatora na wersję przystosowaną do falowników rozwiązała problem.

Dane techniczne, które warto znać:

Napięcie wspólne w instalacjach bez ekranowania może przekraczać 100 V rms, co wystarcza do przebicia cienkich warstw izolacyjnych,

Według danych Siemens i ABB, obecność CM noise (common mode noise) w długotrwałej eksploatacji skraca żywotność transformatora nawet o 30%,

Prądy wywołane napięciem wspólnym mogą osiągać wartość kilkudziesięciu mA, co wystarcza do przegrzania małych elementów izolacyjnych i ekranów.

Jak projektować?

• Stosuj transformatory z ekranem elektrostatycznym między uzwojeniami – odseparują napięcie wspólne i odprowadzą je do PE,
• Dobierz odpowiednią topologię uziemienia – unikaj wspólnych przewodów PE i N dla różnych urządzeń,
• W falownikach z PWM stosuj filtry common mode, które redukują źródło problemu,
• Dla układów z dużą długością kabli – uwzględnij ich wpływ na CMV i projektuj z rezerwą,
• Diagnostyka: sprawdzaj obecność napięć wspólnych podczas pomiarów eksploatacyjnych (np. analizatorami jakości energii).

Transformator a falownik – cisza nie zawsze znaczy spokój

To, że system nie zgłasza błędów, nie oznacza, że wszystko działa poprawnie. W wielu przypadkach, to właśnie ciche napięcie wspólne podkopuje izolację, wpływa na logikę sterowania i prowadzi do awarii, które trudno wytropić.

 

 

4. Prąd upływu – gdy transformator i falownik generują fałszywe alarmy i realne straty

Wyobraź sobie system, który na papierze działa idealnie: odpowiednio dobrany transformator, renomowany falownik, pełna zgodność z wytycznymi producentów. A jednak... zabezpieczenia RCD (wyłączniki różnicowoprądowe - urządzenia chroniące przed porażeniem prądem elektrycznym oraz przed skutkami zwarć doziemnych. Działają poprzez wykrycie różnicy prądu między przewodem fazowym a neutralnym — jeśli ta różnica przekracza dopuszczalny próg (np. 30 mA), RCD natychmiast odłącza zasilanie) wyzwalają się bez powodu, falownik zgłasza błędy izolacji, a operatorzy szukają winy wszędzie – tylko nie tam, gdzie naprawdę tkwi problem.

Właśnie tu zaczyna się temat prądów upływu, które – choć niewidoczne – potrafią zdezorganizować cały system PV lub przemysłowy, generując fałszywe alarmy, przestoje i... autentyczne zagrożenie dla trwałości izolacji. A w centrum tego zjawiska? Relacja transformator i falownik, która została źle zaprojektowana lub zignorowała wpływ wysokich częstotliwości.

Czym właściwie jest prąd upływu?

To prąd, który zamiast płynąć wyłącznie przez przewodnik fazowy i neutralny, przemieszcza się przez pojemności pasożytnicze – do ziemi, przez ekran kabla, uzwojenia, obudowy. W instalacjach z falownikami PWM ten zjawiskowy pasażer staje się szczególnie groźny, ponieważ:

• napięcia przełączające falownika generują szybkie zmiany napięcia (du/dt),
• w długich kablach zasilających i transformatorach tworzy się sieć kondensatorów pasożytniczych,
• ekran transformatora może stać się ścieżką o najmniejszym oporze dla tych prądów.

 

Co dzieje się, gdy transformator a falownik nie są odporni na upływy?

Najczęstsze skutki to:

• błędne wyzwalanie zabezpieczeń różnicowoprądowych, nawet przy poprawnym stanie izolacji,
• nagrzewanie się ekranów i uziemień, zwłaszcza przy wyższych mocach (>50 kW),
• przewlekłe przegrzewanie elementów uzwojenia w transformatorze suchym, prowadzące do punktowego uszkodzenia izolacji,
• zaburzenia w pracy falownika, objawiające się błędami „Isolation Fault", mimo braku fizycznego przebicia.

 

Przykład z terenu: 60 kW PV i "niewidzialna awaria"

Na jednej z farm w Wielkopolsce zainstalowano zestaw trzech falowników 20 kW oraz transformator 400/15 kV. Wszystko uruchomiono zgodnie ze sztuką – ale w upalne dni system samoczynnie się rozłączał, co skutkowało nawet 15% utratą produkcji energii dziennie.

Powód? Prądy upływu rzędu 90 mA powodowały zadziałanie zabezpieczeń różnicowoprądowych, mimo braku jakiegokolwiek fizycznego zwarcia. Transformator nie miał odpowiedniego ekranowania, a przewody zasilające nie były ułożone zgodnie z zasadą minimalizacji sprzężeń. Dopiero po wymianie transformatora na dedykowany do współpracy z falownikami i reorganizacji połączeń sytuacja się ustabilizowała.

Dane, które warto znać:

1. Falowniki trójfazowe z szybkim przełączaniem PWM (np. 8–16 kHz) mogą generować prądy upływu do 100–300 mA przy długich przewodach i nieekranowanych trafach,
2. Zgodnie z normą IEC 62109, dla zabezpieczeń różnicowoprądowych typu B dopuszczalne są wyższe progi zadziałania – ale większość projektów ich nie stosuje,
3. Przewlekła ekspozycja izolacji transformatora na upływy powyżej 30 mA skróca jej żywotność nawet o 35%.

 

Jak rozbroić ten problem? Transformator a falownik – zasady projektowe

• Używaj transformatorów z ekranem elektrostatycznym, uziemionym zgodnie z wytycznymi producenta,
• Dla systemów powyżej 30 kW stosuj zabezpieczenia różnicowoprądowe typu B, dostosowane do falowników,
• Minimalizuj długość kabli między falownikiem a transformatorem, najlepiej prowadząc przewody fazowe i PE wspólnie w jednej trasie,
• Nie łącz ekranów kablowych z punktem neutralnym – zawsze prowadź je do wspólnego punktu uziemienia,
• W przypadku występowania błędów typu "Insulation Fault" – zdiagnozuj źródło prądów pasożytniczych, zanim wymienisz falownik lub trafo.

 

Transformator a falownik – duet, który może się wzajemnie sabotować

Nieprzystosowany transformator, falownik o zbyt ostrym PWM, niewłaściwa trasa kablowa – i gotowe. Nawet najlepszy projekt może zamienić się w kosztowny przestój.

Dlatego relacja transformator i falownik musi być traktowana nie jako dodatek do systemu, ale fundament jego działania. I choć prąd upływu nie daje dymu ani błysku – jego skutki potrafią być równie bolesne dla Twojego bilansu energetycznego i serwisowego.

 

 

5. Napięcie międzyzwojowe – jak transformator a falownik testują granice izolacji od środka

Z zewnątrz transformator wygląda na niewzruszonego. Ciężki korpus, uzwojenia schowane za warstwami izolacji, wszystko pod kontrolą. Ale to tylko pozory. Bo najbardziej podstępne uszkodzenia powstają nie na zaciskach czy w przewodach – ale wewnątrz uzwojeń. Tam, gdzie napięcie międzyzwojowe napiera z siłą, której nie widać, dopóki nie jest za późno.

W systemach PV i przemysłowych z dużą ilością przekształtników, relacja transformator i falownik wystawiana jest codziennie na próbę. A napięcia międzyzwojowe to najczęstszy powód nieodwracalnego zniszczenia izolacji, które – choć niewidoczne – rośnie z każdym dniem pracy urządzenia.

Czym jest napięcie międzyzwojowe i dlaczego zagraża transformatorowi?

To napięcie, które pojawia się pomiędzy sąsiadującymi zwojami uzwojenia, zwłaszcza w uzwojeniach niskiego napięcia, gdzie impulsowe przebiegi z falownika nakładają się na konstrukcję uzwojenia. W przypadku pracy z sygnałem PWM o stromych zboczach (du/dt > 3000 V/μs), transformator przestaje widzieć sinusoidę, a zaczyna przyjmować serie impulsów.

Co to oznacza w praktyce?

• Pole elektryczne skupia się punktowo między warstwami lakieru izolacyjnego,
• Dochodzi do lokalnych przebić mikrołukowych, które stopniowo degradują izolację,
• W transformatorach nieprzystosowanych do pracy z falownikami – prowadzi to do przebicia międzyzwojowego i awarii.

 

Realny przypadek: uszkodzenie 250 kVA po 8 miesiącach

W instalacji PV o mocy 700 kW, gdzie zastosowano klasyczny transformator suchy z uzwojeniem aluminiowym i falowniki 50 kW, po kilku miesiącach pracy zaczęły pojawiać się błędy izolacji, a w końcu – wyłączenie całego systemu.

Po rozbiórce transformatora okazało się, że napięcie międzyzwojowe doprowadziło do degradacji lakieru, a mikroprzebicia w izolacji uzwojenia niskiego napięcia stworzyły drogę do zwarcia. Gdyby od początku zastosowano transformator do współpracy z falownikami, z uzwojeniem miedzianym, podwójnym lakierem i impregnacją ciśnieniową – ten scenariusz nigdy by się nie wydarzył.

Co mówią dane?

Transformator eksponowany na sygnały o du/dt powyżej 2500 V/μs, bez odpowiedniej izolacji międzyzwojowej, traci do 50% żywotności w ciągu 1–2 lat,

Przeciętna wytrzymałość impulsowa standardowego lakieru izolacyjnego wynosi 1,2–1,5 kV między zwojami – a przebiegi z falowników potrafią generować impulsy rzędu 2,5–3 kV,

Częstotliwości przełączania powyżej 10 kHz zwiększają ryzyko rezonansów lokalnych, które mogą wzmacniać napięcie w newralgicznych punktach uzwojeń.

Jak zabezpieczyć transformator a falownik przed tą pułapką?

• Zastosuj transformator do falownika z izolacją warstwową przystosowaną do przebiegów impulsowych,
• Wybieraj uzwojenia o podwójnym lakierowaniu, impregnacji próżniowo-ciśnieniowej (VPI) oraz z odpowiednią separacją mechaniczną zwojów,
• Dla instalacji >50 kW z długimi kablami – stosuj filtry sinusoidalne między falownikiem a trafem,
• Unikaj falowników o wyjątkowo wysokim du/dt bez konsultacji z producentem trafo,
• W projektach przemysłowych – uwzględnij pomiar napięcia międzyzwojowego przy odbiorze instalacji (nie tylko rezystancję izolacji!).

Transformator a falownik – konflikt, który narasta od wewnątrz

Ten konflikt nie daje dymu, nie wzbudza alarmów. Napięcie międzyzwojowe działa w ciszy – dzień po dniu, impuls po impulsie. Aż pewnego ranka system się nie włącza. Albo, co gorsza, kończy się zwarciem i kosztownym przestojem.

Nie pozwól, by niewidzialna siła zniszczyła to, co można było zabezpieczyć już na etapie projektu. Transformator a falownik to układ, który musi być zaprojektowany wspólnie – a nie z osobnych katalogów.

 

 

6. Rezonanse pasożytnicze – gdy transformator a falownik odbijają energię jak lustra, zamiast ją tłumić

To nie są zjawiska rodem z fizyki kwantowej – choć mogłyby. Rezonanse pasożytnicze to jeden z najbardziej nieprzewidywalnych i destrukcyjnych efektów ubocznych w pracy urządzeń energoelektronicznych. A ich najczęstszy „związek przyczynowo-skutkowy"? Nieprawidłowo dobrany układ transformator a falownik, gdzie jedna strona nadaje, druga odbija – i energia zaczyna krążyć w pętli.

Na początku mamy tylko delikatne „piszczenie", chwilowy wzrost temperatury, drobne zakłócenia napięcia. Potem – przegrzanie rdzenia, nagły wzrost harmonicznych, awaria izolacji. A wszystko zaczęło się od niewinnego zjawiska rezonansowego, które nie zostało przewidziane w projekcie.
Czym właściwie są rezonanse pasożytnicze?

To zjawisko, w którym energia gromadzi się i wzmacnia w układzie elektrycznym na skutek nakładania się częstotliwości naturalnej elementów (indukcyjność, pojemność) z częstotliwością pracy falownika.

W przypadku układu transformator a falownik, najczęściej rezonują:

• uzwojenia transformatora (indukcyjność własna i sprzężona),
• długie kable (linie przesyłowe o właściwościach falowych),
• filtry LC o niedopasowanych parametrach,
• rdzeń transformatora (zwłaszcza przy niskich obciążeniach).

Efekt? Fala napięciowa nie jest tłumiona – tylko odbijana i wzmacniana. Powstaje zjawisko „pętli odbić", które może podnieść lokalne napięcie do poziomu groźnego dla izolacji.

Przykład z farmy solarnej: rezonans, który zabił falownik i transformator

Na farmie PV 1,5 MW w południowej Polsce zgłoszono problem z okresowymi wyłączeniami falowników i „dziwnymi" szumami w transformatorze. Po pomiarach okazało się, że przy pewnym zakresie obciążenia (60–80%) układ transformator a falownik wchodził w rezonans pasożytniczy przy 5,6 kHz – jednej z harmonicznych pracy falownika.

Efekt?

• napięcie na zaciskach transformatora rosło chwilowo o 12–15%,
• temperatura rdzenia skakała o 20°C w ciągu minut,
• po dwóch miesiącach padł falownik, a miesiąc później – transformator z przebiciem izolacji międzyuzwojeniowej.

Co mówią dane i normy?

Badania EPRI i ABB pokazują, że rezonans napięciowy w układach z kablami powyżej 30 m długości może podnosić lokalne napięcia do 180% Un.

Transformator niskonapięciowy z nieprawidłowym ekranowaniem może sam wchodzić w rezonans własny w paśmie 2–6 kHz,

Normy nie przewidują typowej ochrony dla rezonansów – to zjawisko projektowe, a nie awaryjne.

Transformator a falownik – jak uniknąć echa, które wzmacnia zamiast tłumić?

• Wybieraj transformator a falownik jako układ przemyślany projektowo, nie dobierany z katalogów,
• Dla kabli >20 m między falownikiem a trafem stosuj analizę częstotliwościową linii przesyłowej,
• Unikaj montowania filtrów LC „w ciemno" – dopasuj je dokładnie do topologii i obciążenia,
• Monitoruj sygnały harmoniczne w czasie rzeczywistym – wiele przemysłowych falowników oferuje tę funkcję,
• Dobieraj transformatory z deklarowaną odpornością na harmoniczne (THDi > 40%) i dużą zdolnością tłumienia zakłóceń.

Transformator a falownik – odbiorniki, które potrafią wzmocnić, zamiast przyjąć

Największe problemy w instalacjach zaczynają się nie wtedy, gdy coś się psuje – ale gdy coś działa nie tak, jak myśleliśmy, że działa. Rezonans pasożytniczy jest właśnie takim przypadkiem. W pełni działający transformator i falownik potrafią wzajemnie wzmacniać zakłócenia – aż do granic materiałów i norm.

Tylko zgrany układ transformator i falownik, zbudowany na wspólnym projekcie i analizie częstotliwościowej, daje pewność, że Twoja instalacja nie zamieni się w wzmacniacz niekontrolowanej energii.

 

 

7. Temperatura pracy – jak transformator a falownik wytrzymują presję gorącego sezonu (albo nie)

Wyobraź sobie lipcowe południe w centrum Polski. 34°C w cieniu. Instalacja PV na pełnym słońcu, zero wiatru, powietrze stoi. Transformator zamknięty w stalowym kontenerze, falownik na ścianie południowej, obydwa bez aktywnego chłodzenia. Na monitoringach wszystko jeszcze wygląda dobrze. Ale wewnątrz? Temperatura sięga 90°C. A potem już tylko krok do termicznej degradacji materiałów izolacyjnych i krytycznego spadku sprawności.

Właśnie w takich warunkach relacja transformator i falownik przechodzi próbę ognia – dosłownie. I to, co w tabelkach producenta wygląda jak „bezpieczny margines", w praktyce okazuje się przepisem na katastrofę, jeśli projekt zlekceważy fizykę.

Dlaczego temperatura to nie tylko „czynnik środowiskowy"?

Każdy element elektryczny ma swoją klasę temperaturową – izolacja, lakier, uzwojenia, rdzeń, obudowa. Przekroczenie tej granicy nie powoduje natychmiastowej awarii, ale rozpoczyna lawinowy proces starzenia termicznego. Gdy falownik emituje ciepło, a transformator je kumuluje, tworzy się sprzężenie zwrotne – temperatury skaczą, a materiały słabną.

W szczególności:

• Falownik obniża sprawność – powyżej 60°C nawet o 25%,
• Transformator przekraczający 120°C na uzwojeniu traci klasę izolacji H w kilka godzin,
• Wysoka temperatura obniża odporność izolacji na napięcia udarowe, czyli zwiększa podatność na skutki opisane w punktach 2 i 5.

 

Case z życia: pożar kontenera w warunkach „zgodnych z normą"

W 2023 roku na farmie PV 1,2 MW w województwie łódzkim doszło do samozapłonu wewnątrz stalowego kontenera zainstalowanego na otwartym terenie. W środku – standardowy transformator suchy, trzy falowniki 40 kW, brak aktywnego chłodzenia. Temperatura otoczenia: 34°C. Wewnątrz – ponad 92°C. W efekcie: stopienie izolacji, zwarcie w falowniku, ogień, który zniszczył nie tylko urządzenia, ale też infrastrukturę wsporczą.

Zabrakło tylko jednego – świadomości, że transformator a falownik to dwa źródła ciepła, które wzmacniają się nawzajem.

Fakty, które zmieniają podejście:

• Każde 10°C powyżej dopuszczalnej temperatury roboczej skraca żywotność kondensatorów elektrolitycznych o połowę,
• Transformator pracujący w temperaturze powyżej 130°C traci trwałość izolacji nawet o 80%,
• Falowniki z wentylatorami o niskiej wydajności potrafią osiągnąć temperatury krytyczne już po 2 godzinach pracy pod pełnym obciążeniem.

 

Jak "ochłodzić" relację transformator i falownik?

1. Projektuj systemy z uwzględnieniem rzeczywistego klimatu lokalizacji, nie tylko „normatywnej temperatury otoczenia",
2. Umieszczaj falowniki i transformatory w klimatyzowanych kontenerach lub pod przewiewnymi daszkami,
3. Stosuj czujniki temperatury na kluczowych elementach – uzwojeniach, radiatorach, skrzyniach rozdzielczych,
4. Dobieraj transformator o wyższej klasie izolacji (np. H 180°C lub C 220°C) dla pracy w warunkach zewnętrznych,
5. Dla instalacji >500 kW stosuj aktywny monitoring termiczny (IoT, SCADA) z automatycznym alarmowaniem.

Transformator a falownik – duet, który nie znosi gorących relacji

Ciepło to najczęściej ignorowany, a jednocześnie najbardziej zabójczy czynnik w pracy urządzeń elektroenergetycznych. Dlatego relacja transformator a falownik powinna być chłodna, dosłownie i w przenośni. Bez niepotrzebnego napięcia. Bez skoków temperatury. Bez niespodzianek.

 

 

Inżynieria to sztuka przewidywania – nie tylko projektowania

Współpraca transformatora i falownik to nie zestaw dwóch osobnych urządzeń. To system naczyń połączonych, które działają w warunkach ekstremalnych – elektrycznie, termicznie i konstrukcyjnie. I choć na wykresach wszystko może się zgadzać, to w praktyce: to projekt, serwis i dobór determinują, czy układ wytrzyma dekadę, czy padnie po sezonie.

W Energeks nie wierzymy w przypadek. Projektujemy, testujemy i dostarczamy transformatory, które są gotowe do współpracy z nowoczesną elektroniką mocy – od PV po przemysł ciężki. Wiemy, jak bardzo liczy się czas, jakość i przewidywalność – dlatego wiele modeli mamy dostępnych od ręki, z 5-letnią gwarancją inżynierskiego spokoju.

Sprawdź naszą ofertę: Transformatory dostępny od ręki – 5 lat gwarancji

Jeśli chcesz być na bieżąco z rynkowymi analizami, realnymi case'ami z budowy i praktycznymi wskazówkami inżynierskimi – dołącz do nas na LinkedIn. Dzielimy się tam nie tylko ofertą, ale przede wszystkim doświadczeniem. Znajdziesz tam ludzi takich jak Ty: świadomych, konkretnych, nastawionych na rozwój.

Energeks na LinkedIn

Dziękujemy, że jesteś z nami. I pamiętaj – energia nie wybacza niefrasobliwości, ale nagradza precyzję. Zawsze warto projektować z głową... i z chłodnym układem transformator i falownik.

 

Cover Photo:
Inverter.com