Falownik PV – piszczenie urządzeń, zakłócenia harmoniczne, filtracja EMI, RCD, SiC/GaN

Pytanie

dlaczego falownik PV powoduje piszczenie podłączonych do niego urządzeń?

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Przyczyną „piszczenia” urządzeń po uruchomieniu falownika PV są głównie: zniekształcenia harmoniczne i szybkie zbocza napięcia (dV/dt) od modulacji PWM, prądy wspólne (common‑mode) oraz — rzadziej — niewielka składowa stała (DC) w sieci. Pobudzają one mechanicznie elementy urządzeń (cewki, transformatory, kondensatory ceramiczne), co daje słyszalny pisk.
• Zjawisko nasila się w urządzeniach z tanimi zasilaczami impulsowymi i transformatorami toroidalnymi oraz w instalacjach o nieoptymalnym uziemieniu/okablowaniu.

Kluczowe punkty

• Źródło: falownik generuje PWM (kilkanaście–kilkadziesiąt kHz) + prądy common‑mode → EMI/THD.
• Mechanizm akustyczny: magnetostrykcja rdzeni i efekt piezoelektryczny MLCC → drgania w paśmie słyszalnym.
• Sprzyjające warunki: rezonanse instalacji (RLC), długie kable, słabe uziemienie, wrażliwe odbiorniki.
• Typowe lekarstwa: filtr/reaktor AC, ferrytowe rdzenie, poprawa uziemienia, filtry EMI przy odbiornikach, czasem DC‑blocker dla audio.

Szczegółowa analiza problemu

• Charakter wyjścia falownika

  • Falowniki aproksymują sinusoidę przez PWM. Nośna i jej produkty mieszane z 50/60 Hz przechodzą przez filtr L/LCL i okablowanie do instalacji.
  • Częstotliwości przełączania: zwykle 16–40 kHz (Si/IGBT), coraz częściej 40–80+ kHz (SiC/GaN). Nawet jeśli nośna jest powyżej progu słyszalności, intermodulacja i subharmoniczne mogą „zejść” w pasmo 1–15 kHz.
  • Szybkość zmian napięcia dV/dt rzędu kilku–kilkudziesięciu kV/µs wytwarza prądy pojemnościowe w kablach i filtrach Y → silna składowa common‑mode.

• Drogi sprzęgania zakłóceń

  • Przewodzone: THD napięcia, szpilki HF i prądy common‑mode płynące przez przewód PE/ekrany.
  • Promieniowane: długie przewody DC/AC tworzą anteny; pętle przewodów zwiększają sprzężenia.
  • Pętle masy/uziemienia: różnice potencjałów PE/N oraz prądy wyrównawcze wprowadzają brum/świst do audio.

• Mechanizmy akustyczne w odbiornikach

  • Magnetostrykcja i siły elektromagnetyczne w dławikach/transformatorach (zwłaszcza toroidalnych) → pisk/brzęczenie; składowa DC przyspiesza nasycenie i wzmacnia efekt (częściej 100/120 Hz, ale bywa też HF).
  • Piezoelektryczność kondensatorów MLCC (X7R/Y5V) → „śpiewające” kondensatory w SMPS i sterownikach LED.
  • Rezonanse mechaniczne płytek/obudów pobudzane składowymi HF.

• Kiedy problem jest najbardziej widoczny

  • Tanie zasilacze impulsowe (małe filtry EMI, duże ESR/ESL).
  • Sterowniki LED z prostymi prostownikami/kondensatorowymi zasilaczami.
  • Sprzęt audio Hi‑Fi (toroidy, duża czułość na DC/EMI).
  • Instalacje z długimi kablami DC/AC, ciasno upakowanymi w jednym korycie, z niedoskonałym uziemieniem.

• Rola instalacji

  • Cała sieć budynku z przewodami i filtrami tworzy układ RLC. Z falownikiem i jego filtrem może powstać rezonans przy kilku–kilkunastu kHz, selektywnie wzmacniając pisk.
  • Typ RCD: prądy upływu HF z filtrów Y mogą zbliżać się do progów RCD typu A; w PV zaleca się dobór zgodny z zaleceniami producenta falownika (często A‑typ selektywny lub B/A‑EV, zależnie od wbudowanego RCMU).

Aktualne informacje i trendy

• Rosnące użycie tranzystorów SiC/GaN podnosi dV/dt i częstotliwości przełączania, co poprawia sprawność, ale zwiększa wymagania EMC i podatność odbiorników na piszczenie.
• Producenci dodają rozpraszanie widma (spread‑spectrum) i adaptacyjne PWM, aby „rozmazać” szczyty widmowe.
• W nowych modelach częściej spotyka się lepsze filtry LCL i niższy THD‑V, ale prądy common‑mode pozostają wyzwaniem dla instalacji i audio.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• THD‑V rzędu kilku procent zwykle jest akceptowalne, ale lokalne rezonanse i prądy common‑mode potrafią silnie pobudzić konkretne odbiorniki.
• Prąd wspólny płynie przez pojemności pasożytnicze: falownik–PE, kable–PE, odbiornik–PE. Na drodze stoi często RCD i przewód PE, który staje się „nośnikiem” HF do wszystkich obwodów.
• Dlaczego LED „śpiewa”? Sterownik w LED ma własny PWM (kilka–kilkadziesiąt kHz). Zakłócenia z falownika modulują jego pracę, powstają linie boczne w paśmie słyszalnym, a MLCC i cewki wchodzą w rezonans.

Aspekty etyczne i prawne

• Falownik i instalacja powinny spełniać wymagania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i jakości energii (normy IEC/EN/CISPR). Nadmierne emisje mogą zakłócać radio/komunikację sąsiadów.
• Modyfikacje rozdzielnicy (filtry, dławiki, RCD) powinien wykonywać uprawniony elektryk; nieprawidłowy dobór może zwiększyć prądy upływu i powodować niepożądane wyzwalanie RCD.
• Ingerencja w falownik (wewnątrz) zwykle narusza gwarancję.

Praktyczne wskazówki

• Diagnostyka krok po kroku

  1. Potwierdź zależność: czy pisk znika po wyłączeniu falownika (noc/dzień)? Sprawdź korelację z mocą PV.
  2. Zidentyfikuj częstotliwość: aplikacja FFT w telefonie często pokaże szczyty 8–20 kHz (lub ich kombinacje).
  3. Pomiary: analizator/oscyloskop różnicowy – THD‑V, widmo HF (150 kHz–5 MHz), dV/dt na gniazdach; prądy PE cęgami HF.
  4. Eliminacja: odłączaj obwody/urządzenia, aby znaleźć najbardziej wrażliwe gałęzie.

• Szybkie środki zaradcze (od najmniej inwazyjnych)

  • Popraw/zweryfikuj uziemienie i połączenia wyrównawcze; zredukuj pętle masy między rozdzielnicami.
  • Załóż pierścienie ferrytowe (kilka zwojów) na przewody zasilające piszczących urządzeń i na przewód PE danej gałęzi.
  • Wymień szczególnie „głośne” żarówki LED/ładowarki na modele z lepszymi filtrami EMI.
  • Dla audio: DC‑blocker w torze zasilania wzmacniacza + filtr EMI klasy mediów, prowadzenie PE możliwie krótko; rozdzielenie obwodów audio od obwodów z dużymi zakłóceniami.

• Środki instalacyjne (po stronie falownika/rozdzielnicy)

  • Dławik/reaktor AC (2–4% impedancji) na wyjściu falownika – ogranicza dV/dt i HF.
  • Filtr sieciowy EMI (dobrany prądowo i pod kątem dopuszczalnego prądu upływu vs RCD); w bardziej wymagających systemach filtr różnicowy + common‑mode.
  • Dławik sinusoidalny lub filtr LCL klasy „sine‑wave” (szczególnie przy długich kablach AC).
  • Korekta okablowania: skracaj pętle, prowadź pary przewodów blisko siebie, separuj DC od AC, unikaj wspólnych koryt dla „hałaśliwych” i wrażliwych obwodów.
  • Ustawienia falownika: jeśli dostępne, zwiększ częstotliwość PWM lub włącz spread‑spectrum; sprawdź zalecany typ RCD (często A‑typ wystarcza przy wbudowanym RCMU, ale w specyficznych układach wymagany bywa B/A‑EV).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Nie każdy pisk pochodzi „z sieci” – część falowników piszczy mechanicznie (cewki/obudowa). To słychać przy samym urządzeniu, ale nie w odbiornikach.
• Nadmierna filtracja po stronie AC może podbić prądy upływu i wyzwalać RCD; filtry trzeba dobrać świadomie.
• Składowa DC w sieci z reguły jest niska (falowniki mają detekcję wtrysku DC), ale jeśli pojawi się z innego źródła, toroidy w audio zabuczą mimo poprawnego falownika.

Sugestie dalszych badań

• Zleć 24‑48 h rejestrację jakości energii (THD‑V, widmo, prądy PE) przed i za filtrem/dławikiem.
• Sprawdź, czy producent falownika oferuje akcesoryjne filtry/dławiki lub profile pracy PWM.
• Jeśli to głównie problem audio/LED, rozważ separację tych obwodów w osobnej rozdzielnicy z lokalnym filtrem EMI.

Krótkie podsumowanie

Falownik PV nie jest idealnym źródłem sinusoidy: szybkie przełączanie i prądy common‑mode wprowadzają zakłócenia, które mechanicznie pobudzają elementy odbiorników do drgań akustycznych. Najczęściej pomaga poprawa uziemienia/okablowania, dławik/filtr po stronie AC, ferrytowe tłumiki oraz wymiana najbardziej wrażliwych zasilaczy/LED. Jeśli podasz model falownika, moc instalacji i które urządzenia „piszczą”, zaproponuję precyzyjny zestaw działań i doborów elementów.