Wyższe harmoniczne prądu w zakładach przemysłowych

Wyższe harmoniczne napięć i prądów

Coraz powszechniej stosowane w zakładach przemysłowych układy energoelektroniczne, takie jak falowniki do zasilania silników indukcyjnych, wpływają negatywnie na Jakość Energii Elektrycznej. Jednym z występujących zjawisk jest odkształcenie krzywej prądu i związane z tym pojawienie się wyższych harmonicznych zarówno prądu, jak i napięcia. Przepływ prądów odkształconych w układzie zasilającym zakład prowadzi do pojawienia się dodatkowych problemów. Generowane są dodatkowe straty mocy czynnej w transformatorach i kablach elektroenergetycznych, wzrasta temperatura pracy urządzeń elektroenergetycznych oraz obniża się poziom mocy czynnej, która może być przez nie przesyłana. Mogą wystąpić również niepożądane działania aparatury zabezpieczającej, przeciążenia baterii kondensatorów czy przeciążenia żyły neutralnej w przewodach i kablach wielożyłowych.

Wraz z pojawieniem się odkształcenia krzywej prądu pojawia się dodatkowa składowa mocy biernej w postaci mocy dystorsji D.

Moc ta musi zostać przesłana przez tory prądowe urządzeń elektroenergetycznych, zmniejszając tym samym ich zdolność do przesyłu mocy czynnej, przy zachowaniu ich dopuszczalnych obciążalności długotrwałych. Wynika to ze wzrostu mocy pozornej obciążenia:

Aby zaprezentować wzajemne zależności pomiędzy poszczególnymi składowymi, należy posłużyć się prostopadłościanem mocy. Dodatkowa moc dystorsji przyjmuje zawsze wartość dodatnią i wyrażana jest w tych samych jednostkach co moc bierna – VAr.

Rysunek 1. Prostopadłościan mocy; P – moc czynna, QV – moc bierna składowej podstawowej harmonicznej, D – moc dystorsji, Qt – całkowita moc bierna, S1 – moc pozorna w trójkącie mocy, S – moc pozorna całkowita

Jedną z miar stosowanych do opisu odkształcenia krzywej prądu jest współczynnik całkowitego odkształcenia THDi:

Określa on całkowity wpływ poszczególnych rzędów wyższych harmonicznych prądu w wartości skutecznej prądu, odniesionej do harmonicznej podstawowej. Dla tego współczynnika nie jest istotny rząd danej harmonicznej tylko jej wartość. Najczęściej oblicza się THDi w zakresie od 2 do 40 harmonicznej, czasami do 50 harmonicznej. Oznacza to, że współczynnik ten uwzględnia częstotliwości wyższych harmonicznych do 2 kHz lub 2,5 kHz.

Charakter i rodzaj odbiorników energii elektrycznej, a w szczególności sposób ich sterowania determinuje widmo wyższych harmonicznych prądu w układzie zasilającym. W zdecydowanej większości przypadków dominuje udział wyższych harmonicznych rzędu 5, 7, 11 i 13, przy czym przeważnie największy wpływ na odkształcenie ma harmoniczna rzędu piątego.

Na szczególną uwagę zasługują pewne negatywne skutki występowania wyższych harmonicznych w układach zasilających silniki asynchroniczne. Pojawiają się tutaj dodatkowe problemy, w tym:

• wzrost strat w uzwojeniach,
• wzrost strat w magnetowodach stojana i wirnika,
• występowanie dodatkowych momentów harmonicznych,
• występowanie oscylacji mechanicznych,
• zwiększenie poziomu hałasu.

Przepływ prądów odkształconych prowadzi do wystąpienia odkształconych spadków napięcia na impedancjach transformatorów i przewodów/kabli elektroenergetycznych. Oznacza to, że następuje odkształcenie krzywej napięcia i wzrost wartości całkowitego współczynnika odkształcenia napięcia THDu. Odbiorniki liniowe zasilane z takiej sieci zaczynają pobierać prąd odkształcony, co dodatkowo przyczynia się do dalszego pogorszenia wskaźników Jakości Energii Elektrycznej w zakładzie.

Przeciwdziałanie negatywnym skutkom wyższych harmonicznych

Aby przeciwdziałać tym negatywnym skutkom wyższych harmonicznych można wykorzystać różne rozwiązania. Uzależnione są one od takich czynników jak: moc zapotrzebowana w zakładzie, sztywność sieci zasilającej, moc odbiorników czy budowa samej instalacji elektroenergetycznej. Dobór konkretnego rozwiązania powinien opierać się na analizie układu zasilającego zakład, reżimu pracy i zainstalowanych odbiorników. Bardzo ważnym punktem doboru jest wykonanie pomiarów Jakości Energii Elektrycznej i ich prawidłowa analiza. Na podstawie oceny zebranego materiału można zaproponować optymalne rozwiązanie, które powinno doprowadzić do poprawy parametrów jakościowych energii elektrycznej przy rozsądnych kosztach inwestycyjnych. Do tych rozwiązań można zaliczyć następujące elementy i urządzenia:

• filtry pasywne,
• filtry aktywne,
• układy SVG,
• układy do kompensacji mocy biernej (stycznikowe lub tyrystorowe),
• dławiki liniowe.

Filtry aktywne

Filtry pasywne

Wypożyczalnia analizatorów JEE