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

• Piszczenie wynika głównie z wysokoczęstotliwościowych zakłóceń (harmonicznych, impulsów PWM) generowanych przez falownik PV, które pobudzają elementy indukcyjne lub piezoelektryczne w podłączonych urządzeniach do drgań akustycznych.
• Kluczowe czynniki: magnetostrykcja rdzeni cewek, efekt piezo w kondensatorach, prądy upływowe DC zakłócające wyłączniki RCD, niewłaściwe uziemienie i niedostateczna filtracja EMI.

Szczegółowa analiza problemu

1. Sposób pracy falownika PV
   a) Przekształcenie DC→AC realizowane jest modulacją PWM; tranzystory MOSFET/IGBT przełączają się z f ≈ 8-25 kHz (Si), a w nowoczesnych falownikach SiC/GaN już 40-100 kHz.
   b) Po stronie AC stosuje się LC-filtr, ale nie usuwa on całkowicie zawartości wysokoczęstotliwościowej.
   c) Powstaje widmo: 50 Hz + pasmo harmonicznych kluczowania (k·fPWM ± 50 Hz). Część leży w paśmie słyszalnym (2-20 kHz).

2. Mechanizmy akustyczne w odbiornikach
   • Magnetostrykcja: Δl/l ≈ λ · H² – zmienne pole w rdzeniu transformatora/dławika powoduje jego „skracanie-wydłużanie”; dla f > 1 kHz efekt jest słyszalny jako pisk/brzęczenie.
   • Piezoelektryczność MLCC: napięcie z zakłóceniami → deformacja → dźwięk.
   • Rezonans obudów/placków lutowniczych; wzbudzenie już przy kilku mW energii drgań.

3. Propagacja zakłóceń
   • Przez przewody fazowe/neutralne (prąd przewodzony) – mierzymy jako THD i dV/dt.
   • Polem promieniowanym – szczególnie przy długich kablach DC (antena).
   • Pętle masy – różnica potencjałów ziemia-N → prądy wyrównawcze nasycają rdzenie.

4. Interakcja z wyłącznikiem RCD
   • Falowniki zgodne z VDE-0126-1-1/IEC 62109 wymagają RCD typu B lub A-EV; typ A wyzwala się lub „ćwierka” pod wpływem składowej DC i wysokich dI/dt, co bywa słyszane w instalacji.

5. Parametry jakości energii typowo obserwowane przy problemach
   • THD-V > 5 % (norma EN 50160 dopuszcza 8 %)
   • dV/dt > 1000 V/µs na zaciskach odbiornika
   • EMI przewodzone w paśmie 150 kHz-30 MHz powyżej limitów CISPR 11 kl. A

Aktualne informacje i trendy

• Nowe falowniki z tranzystorami SiC/GaN przechodzą na kluczowanie > 40 kHz, co przenosi pierwszą harmoniczną poza pasmo słyszalne, ale zwiększa emisję > 150 kHz – wymusza lepsze filtry i ekrany.
• Normy EMC z 2023 r. (EN 61000-3-2:2023, EN 61000-3-12:2022) zaostrzają limity harmonicznych do 2 kHz.
• Trend „spread-spectrum PWM” (rozszerzanie widma) – rozmywa linie harmoniczne, obniża poziom szczytowy hałasu.
• Coraz częściej integruje się aktywne filtry ANPC/LLC i monitory prądu upływowego DC, zmniejszające interferencję z RCD.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dla PWM 20 kHz pierwsza słyszalna harmoniczna: 20 kHz – 50 Hz ≈ 19,95 kHz (tuż przy granicy słyszalności), ale 4-ta harmoniczna 5 kHz może być głośniejsza, bo mieści się w maksimum czułości ucha.
• Wzór na napięcie harmonicznej n-tej przy idealnym SPWM:
  \[ Un = \frac{2U{DC}}{n\pi} \sin!\bigl(n\pi m/2\bigr) \]
  gdzie m – indeks modulacji. Im m bliżej 1, tym wyższe harmoniczne n = kfPWM ± 50 Hz.

Aspekty etyczne i prawne

• EMC Directive 2014/30/EU i LVD 2014/35/EU nakładają obowiązek, by urządzenia nie wprowadzały szkodliwych zakłóceń. Trwałe piszczenie może być podstawą reklamacji (niezgodność z CE).
• W instalacjach z pompami insulinowymi czy aparaturą medyczną zakłócenia mogą być ryzykowne – wymagane jest potwierdzenie kompatybilności.
• Normy bezpieczeństwa PV (IEC 62109-2, EN 50549-1) wymagają kontrolowania prądów upływowych < 300 mA DC.

Praktyczne wskazówki

1. Pomiar i diagnostyka
   • Analizator jakości energii (klasa A) – zmierzyć THD, flicker, dV/dt.
   • Sonda prądowa + oscyloskop – widmo 0-100 kHz na zaciskach „piszczącego” urządzenia.
   • Miernikiem TEQ (Total EMC Quantity) sprawdzić pasmo 150 kHz-30 MHz.

2. Redukcja zakłóceń u źródła
   • Aktualizacja firmware falownika (często zmienia strategię PWM).
   • Dodatkowy filtr LCL lub RFI kl. Y na wyjściu AC (o ile producent dopuszcza).
   • Skrócenie kabli DC, zastosowanie ferrytów z rdzeniem nanokrystalicznym.

3. Ochrona odbiorników
   • Listwy z filtrem klasy C, filtr IEC 320 C14 10 A/250 V (L-C-π).
   • UPS on-line z podwójną konwersją (galwaniczna separacja, THD ≈ 1 %).
   • Wymiana RCD typu A na B (lub A-EV) – eliminuje wyzwalanie i pisk.

4. Optymalizacja instalacji
   • Rezystancja uziemienia < 10 Ω; wspólna szyna PE do wszystkich rozdzielnic.
   • Rozdzielenie obwodów wrażliwych (audio, IT) od gniazd dedykowanych PV.
   • Ekranowanie przewodów sygnałowych, skrzyżowania pod kątem 90°.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Źródłem hałasu może być samo urządzenie (np. luźny rdzeń transformatora) – falownik jedynie „dostarcza” widmo wzbudzające.
• Nie każdy pisk oznacza przekroczenie norm – norma EN 61000-6-3 dopuszcza 47 dBµV w paśmie kHz, a dźwięk odczuwamy już przy kilku µPa.
• Filtry AC mogą pogorszyć współczynnik mocy falownika < 0,9, co bywa karane przez operatora sieci.

Sugestie dalszych badań

• Analiza widmowa przed i za filtrem LCL – ocena skuteczności.
• Badanie wpływu technik random-PWM na percepcję hałasu w budynkach mieszkalnych.
• Modelowanie magnetostrykcji w dławikach PFC z blachy amorficznej – porównanie z ferrytami.
• Przegląd aktualnych topologii trójpoziomowych (T-NPC, ANPC) a emisja akustyczna.

Krótkie podsumowanie

Falownik PV „piszczy” urządzeniom, bo jego szybkie przełączanie wytwarza pakiet harmonicznych i zakłóceń EMI, które wzbudzają elementy indukcyjne i piezoelektryczne w odbiornikach. Skalę zjawiska potęgują niewłaściwe filtry, słabe uziemienie oraz niezgodność RCD. Diagnostyka oscyloskopem i analizatorem jakości energii pozwala wykryć źródło, a praktyczne środki to: lepsze falowniki (pure-sine, SiC), filtry EMI, ferrytowe pierścienie, prawidłowe PE i RCD typu B. Długofalowo branża przechodzi na wyższe częstotliwości i spread-spectrum PWM, co ograniczy słyszalność zjawiska, ale stawia nowe wymagania względem filtracji w zakresie EMC.