W większości problemów technicznych związanych z wytwarzaniem, przesyłem i użytkowaniem energii elektrycznej zakłada się, że mamy do czynienia z liniowymi obwodami elektrycznymi. Wśród odbiorników energii coraz częściej spotkać można odbiorniki dokształcające sinusoidalne przebiegi prądu i napięcia. Są to tak zwane odbiorniki nieliniowe, do których możemy zaliczyć wszystkie odbiorniki, które nie są czysto rezystancyjne. Nieliniowe odbiorniki prowadzą do powstawania harmonicznych prądów i napięcia. Harmoniczne są jednym z najstarszych zaburzeń systemów energoelektronicznych. Problem wyższych harmonicznych ciągle narasta a zagrożenia z tym związane należy traktować poważnie.

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

Składowa podstawowa 50 Hz oraz piąta i siódma harmoniczna sygnału (250Hz oraz 350 Hz)

Odbiornik nieliniowy generuje odkształcony prąd harmoniczny. Ów prąd powoduje spadek napięcia na transformatorze i indukuje w ten sposób odkształcone napięcie, które zasila wszystkie odbiorniki w układzie. Odbiorniki czysto rezystancyjne będące w obwodzie również będą narażone na prąd harmonicznych, pomimo faktu, że jest to odbiornik czysto liniowy.

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 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).

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:

Idealny sygnał prądowy na wejściu przemiennika

W rzeczywistości przemiennik wyposażony jest w prostownik 6 – pulsowy, który głównie generuje harmoniczne rzędu 5 i 7:

Pobór prądu przez przemiennik z nałożonymi harmonicznymi rzędu 5 i 7

Wynikowo odbiornik widzi sumę tych przebiegów:

Rzeczywisty przebieg prądu (czerwony) na wejściu przemiennika częstotliwości

W ostateczności otrzymujemy zniekształcony przebieg sinusoidalny, którego 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 przewymiarować, dobierać na znamionowy prąd ciągły z uwzględnieniem harmonicznych prądu.

Poniżej przedstawiono przebieg prądu na wejściu przemiennika jednofazowego:

Przebieg prądu na wejściu przemiennika jednofazowego

Lista typowych odbiorników, które powodują odkształcenie prądu i napięcia:

  Sprzęt radiowo-telewizyjny i komputerowy; odbiorniki te wyposażone są w różnej klasy zasilacze z pojemnościowymi filtrami napięcia, w których prądzie znaczący udział maja harmoniczne rzędu 3 i 5
  Świetlówki, zwłaszcza coraz powszechniej stosowane świetlówki kompaktowe, wyposażone w układ przemiennika częstotliwości; odbiorniki te pobierają prąd o bardzo szerokim spektrum wyższych harmonicznych.
  Różnego rodzaju zasilacze, przede wszystkim zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)
  Bezstopniowe regulatory prędkości obrotowej silników, np. silników elektronarzędzi.
  Elektroniczne sterowniki natężenia oświetlenia.
  Układy bezprzerwowego zasilania (UPS), przekształtniki, stateczniki.
  Urządzenia z rdzeniami magnetycznymi czy na przykład transformatory, silniki.

Destruktywny wpływ odkształconego prądu i napięcia:

Wpływ na silniki i generatory:
  Wzrost temperatury ze względu na dodatkowe straty mocy. Jest to stres dla izolacji silników, który skraca ich żywotność.
  Powstawanie dodatkowych strumieni magnetycznych w silniku, konsekwencją czego jest indukowanie się dodatkowych prądów (prądy wirowe).
  Powstawanie momentów harmonicznych. Wpływa to na pulsację momentu. Prowadzi to do oscylacji mechanicznych, rezonansów.
  Harmoniczne wpływają na głośność silnika (im więcej tym większy szum akustyczny silnika).

Wpływ na przekaźniki i styczniki, transformatory, baterie kondensatorów:

  Układy te są nie wrażliwe na THD wynoszące do max. 20%. Powyżej tej granicy występują przegrzania elementów, nieprawidłowości w działaniu (załączenia, wyłączenia, duże nagrzewanie, sklejanie).
  THD powoduje duże straty mocy. Powoduje to znaczny ubytek mocy transformatora, kable zasilające oraz zabezpieczenia poddawane są dodatkowym wpływom cieplnym, co powoduje konieczność ich przewymiarowania. Filtry ADF powodują wzrost mocy czynnej transformatora sięgający nawet 20%!
  Harmoniczne dodatkowo nagrzewają i wpływają destrukcyjnie na baterie kondensatorów (dodatkowa moc wydzielana na nich). Prowadzi to przeważnie do ich uszkodzenia (spalenie, wybuch).

Jakie istnieją sposoby radzenia sobie z wyższymi harmonicznymi prądu?

Najprostszą i najtańszą metodą jest zastosowanie dławika indukcyjnego, który zmienia impedancję sieci w pewnym zakresie. W przypadku układu napędowego przekształtnika, dławik wejściowy lub wbudowany w obwód DC limitują harmoniczne prądu do poziomu około 30-40% w zależności od wielkości obciążenia. Użycie prostownika 12 pulsowego możliwe jest przy podłączeniu układu do dwóch transformatorów (jeden połączony w gwiazdę, drugi w trójkąt). Limitacja harmonicznych do poziomu 12%. Na rynku dostępne są również rozwiązania filtracji pasywnej. Są to typowe filtry LCL, których parametry elektryczne zostały dobrane na odpowiedni punkt pracy napędu (filtracja <8% przy założeniu, że obciążenie jest większe niż 80%). Jest to jednak rozwiązanie niepewne, wprowadzające dodatkowe oscylacje do układu. Filtry LCL z reguły są bardzo duże i drogie. Odchodzi się od tego typu rozwiązań. Najlepszym i najpewniejszym rozwiązaniem jest użycie filtru aktywnego , który potrafi dynamicznie odpowiadać na zapotrzebowanie oraz w szybki sposób kompensuje harmoniczne prądu i napięcia. Oferowane filtry serii ADF dodatkowo mogą kompensować moc bierną (zarówno pojemnościową jak i indukcyjną) , dokonywać symetryzacji obciążenia, a także wyeliminować zjawisko migotania światła.

Porównanie różnych metod kompensacji wyższych harmonicznych

Filtry cyfrowe ADF ANIRO przeznaczone są dla wszystkich instalacji, obiektów, gdzie występują problemy z jakością energii elektrycznej w ogóle. Gdy mówimy o jakości energii elektrycznej, mamy na myśli takie pojęcia jak:

Aspekty związane z jakością energii elektrycznej

Gdybyśmy żyli W idealnym świecie, większość z nas oczekiwałaby, by nasz sprzęt działał jak w reklamie, sprawnie i bezproblemowo i ładnie przy tym się prezentował. Łatwo sobie również wyobrazić napięcie i prąd – widzimy go jako idealne przebiegi sinusoidalne narysowane na kartce lub na ekranie monitora. Jednakże w rzeczywistości nasze oczekiwania okazują się zwykłą mrzonką a gdybyśmy zajrzeli do naszych gniazdek elektrycznych, okazało by się, że energia elektryczna nie wygląda tak, jak się tego spodziewamy i znacznie odbiega od idealnych przebiegów z ekranu monitora.

Okrutna prawda jest jednak taka, iż energia w dowolnej sieci jest zwykle niedoskonała, wadliwa, obarczona błędami zgodnie z naturalnymi prawami energii elektrycznej, ale również na skutek oddziaływania  sprzętu będącego częścią systemu. Efekt? Pogorszenie parametrów pracy urządzeń, usterki, straty energii, dziwne zdarzenia pozornie niepowiązane ze sprzętem … z których wszystkie wymagają przestojów w celu oceny ich stanu i dokonanie ewentualnych napraw.

Większość z Państwa doświadczyła na pewno niespodziewanych, nienaturalnych awarii urządzeń, żarówek. Większość też pewnie doświadczyła  abstrakcyjnie wysokich rachunków za energię elektryczną. To tylko niektóre z objawów, które mogą być następstwem słabej jakości zasilania.

Perfekcyjnym rozwiązaniem, które jest w stanie kompleksowo zadbać o jakość energii elektrycznej są filtry aktywne ADF Aniro. Za pomocą jednego tylk 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.

Obrazek poniżej ilustruję zasadę działania filtru: