Ciągły wzrost odbiorników nieliniowych w przemyśle powoduje znaczne pogorszenie się jakości energii elektrycznej w sieci. Ich liczba od lat 90-tych rośnie w lawinowym tempie. Dobrym przykładem takowego odbiornika jest przemiennik częstotliwości, a w zasadzie jego stopień wejściowy – prostownik 6-pulsowy. Popyt na te urządzenia wzrasta w tempie około 7-10% rocznie. Oznacza to, że będziemy mieli do czynienia wyłącznie z pogarszaniem się jakości energii elektrycznej. Pogorszenie jakości energii wpływać będzie na jakość oraz wielkość produkcji, poprawność działania urządzeń elektrycznych oraz wysokość rachunków elektrycznych.

 

 Gdy mówimy o jakości energii, mamy na myśli takie pojęcia jak: moc bierna, migotanie światła, zawartość wyższych harmonicznych, równomierne czy obciążenie faz. Pojęcie harmonicznych wywodzi się z akustyki, gdzie odnoszone są do drgań struny. W przypadku energoelektroniki lub elektrotechniki, harmoniczna jest definiowana jako składowa przebiegu o częstotliwości będącej krotnością składowej podstawowej. Odbiornik nieliniowy generuje odkształcony prąd harmoniczny. Prąd ten powoduje spadek napięcia na transformatorze i indukuje w ten sposób odkształcone napięcie, które zasila wszystkie odbiorniki w układzie (nawet odbiorniki liniowe).

THD? THDU?

Wielkością określającą zniekształcenie napięcia lub prądu przez obecność wyższych harmonicznych jest tzw. współczynnik THD (z angielskiego: Total harmonic distortion). Współczynnik THD możemy odnieść do prądu (THDI) jak i napięcia w badanym obwodzie (THDU). THD określa się jako iloraz wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej składowej podstawowej odpowiednio napięcia i prądu. Jako górną granice sumowania przyjmuje się przeważnie n = 50 (pięćdziesiąta harmoniczna ). Harmoniczne, ze względu na kierunek wirowania wektorów względem składowej podstawowej dzieli się na:

• zgodne: 3K+1 – harmoniczne rzędu 1,4,7,10, … 
• przeciwne 3K+2 – harmoniczne rzędu 2,5,8,11, …
• zerowe 3K+3 – harmoniczne rzędu 3,6,9,12, … (generowane głównie przez odbiorniki nieliniowe jednofazowe, które sumują się w przewodzie neutralnym).

Interharmoniczne

W rozważanych obwodach mogą się pojawić również tzw. interharmoniczne, które nie są całkowitą wielokrotnością składowej podstawowej oraz subharmoniczne, które posiadają składowe o częstotliwości mniejszej od składowej podstawowej. Powszechnie występującym obciążeniem nieliniowym jest prostownik 6 – pulsowy, typowo spotykany w przekształtnikach napędowych. Prostowniki n pulsowe, generują harmoniczne rzędu k(n+/-1). Dla prostownika 6 – pulsowego będą to 5, 7, 11 i 13 harmoniczna prądu. Dla prostownika 12 pulsowego będą to harmoniczne rzędu 11, 13, 23, 25. Rozważmy pobór prądu przez przemiennik częstotliwości, który znamionowo pobiera 70,7A z sieci 50Hz. W rzeczywistości przemiennik wyposażony jest w prostownik 6 – pulsowy, który głównie generuje harmoniczne rzędu 5 i 7. Wynikowo odbiornik widzi sumę tych przebiegów:

 

 W tej sytuacji otrzymujemy zniekształcony przebieg sinusoidalny. Amplituda może być o kilkadziesiąt procent większa od składowej podstawowej. Składowa podstawowa wynosiła 70,7A. Suma prądów harmonicznych wynosi: 30,8A. Wynikowo przemiennik pobiera prąd o wartości wynoszącej 77,14A a nie 70,7A.

Harmoniczne prądu wymuszają na odbiornikach przepływ zwiększonej energii elektrycznej. Prowadzi to do nadmiernego nagrzewania się instalacji. Kable zasilające oraz zabezpieczenia należy przewymiarowywać, dobierać na znamionowy prąd ciągły z uwzględnieniem harmonicznych prądu. Przemienniki jednofazowe generują harmoniczne kolejności zerowej, które sumują się w przewodzie neutralnym. Prąd w przewodzie neutralnym może być wyższy niż 200% prądu fazowego. Należy uwzględnić to przy doborze przekroju przewodu zerowego oraz zabezpieczenia.

Najlepszym rozwiązaniem, które jest w stanie kompleksowo zadbać o jakość energii elektrycznej są filtry aktywne. Za pomocą jednego tylko urządzenia możliwa jest kompensacja mocy biernej, harmonicznych, eliminacja migotania światła, symetryzacja obciążenia. Filtr aktywny działa na zasadzie słuchawek aktywnych. Słuchawki posiadają wbudowany mikrofon, który zbiera szum z otoczenia. Następnie słuchawki generują przebieg w przeciw fazie, który po zsumowaniu z sygnałem zmierzonym – wynikowo uzyskujemy ciszę.

Filtr aktywny włącza się równolegle do obwodu. Przypadkowa awaria filtru nie skutkuje zatrzymaniem pracy układu. Sam filtr należy zabezpieczyć zwarciowo i przepięciowo (dobór pod ciągły prąd znamionowy).

Instalacja filtrów aktywnych 

Sama instalacja filtrów aktywnych, parametryzacja i uruchomienie urządzenia jest bardzo proste i nie wymaga od operatora znajomości wielu aspektów związanych z elektrotechniką. Po zasileniu urządzenia należy wykonać test sprzętowy (diagnostyka). Urządzenie samodzielnie sprawdzi zasilanie, napięcia, połączenia, polaryzację przekładników. Następnie za pomocą kreatora wybiera się działanie urządzenia: kompensacja mocy biernej, limitacja harmonicznych, migotanie światła, symetryzacja obciążenia. W następnych okienkach ustala się poszczególne limity i naciska przycisk start.