UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Learn more

I understand

Artykuły na medal

Harmoniczne: pochodzenie, skutki i rozwiązania

włącz .

Harmoniczne prądu są jednym z czynników o największym wpływie na jakość sieci w instalacjach, a konkretnie wpływają na kształt fali. Te prądy powodują zniekształcenia, które oddalają profil fali od idealnej sinusoidy referencyjnej.

W niniejszym artykule omówimy harmoniczne prądu - od ich pochodzenia po konsekwencje, jak również narzędzia znajdujące się w zasięgu konsumentów energii, pozwalające na łagodzenie skutków. Obecność tego typu prądów pasożytniczych w instalacjach elektrycznych (domowych lub przemysłowych) wzrosła w ostatnich latach z powodu wzrastającego stosowania odbiorników znanych jako nieliniowe, które używają do ich funkcjonowania przetworników elektronicznych do przekształceń AC-DC i DC-AC.

Urządzenia tak popularne jak komputery wymagają przekształceń AC-DC
Urządzenia tak popularne jak komputery wymagają przekształceń AC-DC

Po wspomnianych przekształceniach, odbiorniki zaczynają pobierać prąd o zniekształconej fali. Dzięki matematykowi Jean-Baptiste Fourier możliwe jest rozłożenie kształtu fali na sumę prądów z częstotliwościami wielokrotnościami częstotliwości podstawowej (50-60Hz).

Chodzi, o zakłócenia, które są wytwarzane we własnych instalacjach, w odróżnieniu od innych czynników wpływających na jakość sieci, takich jak amplituda, częstotliwość lub symetria, które powodowane są przez dostawcę energii.

Poza wspomnianym wpływem na kształt fali prądu, harmoniczne powodują też zniekształcenia fali napięcia, z powodu spadków napięcia, które wywoływane są podczas przepływu tych prądów przez impedancję linii i przekaźników.

Te zniekształcenia mogą być mierzone za pomocą analizatorów sieci i określane są głównie przez procent lub współczynnik zawartości harmonicznych (THD). Na poziomie międzynarodowym, istnieją przepisy, które określają wartości graniczne zniekształceń harmonicznych i ważne jest ich minimalizowanie, ponieważ mogą wpływać na pobliskie instalacje innych użytkowników ( patrz IEC-61000-2-2; 2-4; 3-2; 3-4; 3-12; IEEE-519-2014).


Po tym wprowadzeniu konceptualnym, zobaczmy, jakie wyróżniamy najbardziej popularne odbiorniki nieliniowe:

  • Przetworniki statyczne (grupy prostowników, wariatory prędkości, rozruszniki, ładowarki baterii...)
  • Urządzenia elektroniczne jednofazowe takie jak komputery, drukarki, programowalne automaty, itd. Wewnętrznie pracują na prądzie stałym i wyposażone są w kondensator filtr i prostownik wejściowy.
  • Instalacje oświetleniowe z lampami wyładowczymi.
  • Piece łukowe i urządzenia spawalnicze.
  • Przekładniki i stateczniki z jądrem żelaznym, którego magnetyzacja nie jest liniowa.

most common non-linear loads

Jednym z najważniejszych skutków zniekształceń prądu spowodowanym przez wymienione odbiorniki jest wzrost wartości skutecznej prądu w sieci, co prowadzi do niepotrzebnych poborów i problemów związanych z rozmiarem kabli i przekładników.


Jego podstawowymi konsekwencjami są:

Nadmierne obciążenie przewodów

Wzrost wartości skutecznej sieci może oznaczać, że prąd, który będzie przepływał przez przewody będzie wyższy niż dopuszczalny, co oznaczałoby konieczność zwiększenia ich przekroju, jeśli nie wzięto pod uwagę efektu wywołanego przez harmoniczne prądu. Ten problem może okazać się szczególnie krytyczny dla przewodów neutralnych, jako że harmoniczne potrójne (rzędu nieparzystego wielokrotność 3: 3,9,15) wywoływane głównie przez obciążenia jednofazowe, sprawiają, że powrót harmonicznych prądu odbywa się przez przewód neutralny, w którym się sumują. Konieczna jest więc kontrola poziomu nadmiernych częstotliwości w przewodzie neutralnym, ponieważ przegrzanie może prowadzić do poważnej degradacji, a nawet do odcięcia jeśli nie będzie odpowiednio kontrolowany. Odcięcie przewodu neutralnego stanowiłoby stałe przepięcie w sieci, powodując zniszczenie urządzeń, które nie są przygotowane na taką sytuację.

Dyskwalifikacja przekładników

Obecność harmonicznych w sieci zwiększa straty z powodu histerezy i straty z powodu prądu wirowego w przekładnikach, poprzez zwiększenie temperatury roboczej, a w konsekwencji skrócenie ich żywotności. W przekładnikach więc, na które działają harmoniczne prądu, następuje dyskwalifikacja mocy (utrata pojemności) przy której mogą pracować bez rozgrzewania ponad normę.

Wyzwolenie zabezpieczeń

Wartość skuteczna prądu, który przepływa przez przewody może zostać znacząco zmieniona przez wzrost natężenia spowodowany harmonicznymi z instalacji, mogąc przekroczyć termiczne wartości graniczne automatycznych wyłączników i spowodować ich wyzwolenie. Chociaż jest to bardziej nieprawdopodobne, obecność harmonicznych może powodować wyzwolenie w wyłączników automatycznych zabezpieczeń magnetycznych, w przypadku gdy współczynnik szczytu fali prądu przekroczy ich wartości graniczne. Często występują zwiększone współczynniki szczytu w obciążeniach jednofazowych takich jak komputery lub oświetlenie. Prądy harmoniczne wpływają pośrednio na wyzwolenie wyłączników różnicowoprądowych, ponieważ fakt, że przepływają przez wyłącznik nie wywołuje wyzwolenia. Z kolei, jeśli zastosować to samo zachowanie w sieci powyżej wyłącznika, charakteryzujące się wysoką impedancją wobec prądów harmonicznych, sprawiając, że te przepływają przez pojemności pasożytnicze lub elementy pojemnościowe uziemione (Filtry EMC) sprawiając, że wzrasta poziom wycieku odnotowany przez ochronę różnicowoprądową i wywołują niepożądane zadziałania.

Rezonans i przeciążenie baterii kondensatorów

Kondensatory są elementami, w których może wystąpić zjawisko rezonansu równoległego z zachowaniem indukcyjnym przekładnika i kabli zasilania instalacji. Rezonans zwiększa znacznie impedancję całości przy określonej częstotliwości zmiennej w zależności od mocy baterii kondensatorów lub warunków impedancji systemu zasilania. Ze względu na powyższe właściwości elementów pojemnościowych, w połączeniu z obecnością harmonicznych w sieci, mogą wystąpić zjawiska szkodliwe dla instalacji:

  • Po pierwsze, następuje wzrost współczynnika zniekształcenia napięcia dla całej instalacji gdzie występuje rezonans, który może wpływać na resztę obciążeń.
  • Z drugiej strony, same kondensatory i inne elementy baterii kondensatorów takie jakie elementy operacyjne mogą zostać uszkodzone w skutek mniejszej impedancji wobec harmonicznych prądu i większego stopnia zniekształcenia napięcia, który spowoduje zwiększenie poboru prądów przez kondensatory mogąc doprowadzić do ich spalenia.

Po omówieniu konsekwencji harmonicznych prądu, zajmijmy się głównymi problemami związanymi z harmonicznymi napięcia:

Zniekształcenie napięcia

Zniekształcenie napięcia jest konsekwencją przepływu prądów harmonicznych przez impedancje, które znajdują się w różnych elementach dystrybucyjnych i zasilania instalacji. Zniekształcenie napięcia jest szczególnie ważne, ponieważ jego wysoki poziom może powodować wadliwe działanie urządzeń w instalacji, dlatego istnieją przepisy odnośnie poziomów kompatybilnych dla tego typu zakłóceń. Norma EN50160 ustanawia warunki, które muszą być spełnione zarówno przez konsumenta jaki i przez dystrybutora w punkcie przyłączenia (PCC), a norma 61000-2-4 określa maksymalne wartości graniczne odkształceń dla prawidłowego działania różnego rodzaju odbiorników. W powyższej normie zdefiniowane są również różne klasy otoczenia. Na przykład, wartość graniczna odkształcenia napięcia dla klasy 1, obejmuje odbiorniki czułe takie jak automaty, komputery, itd. ustala się na poziomie 5%. To oznacza, że gdy wartości przekształcenia są wyższe, odbiorniki tego typu mogą to odczuwać i działać niepoprawnie.

Wpływ na silniki indukcyjne

W silnikach indukcyjnych występują większe straty w wyniku wzrostu prądów pasożytniczych. Ponadto, w zależności od sekwencji obrotu, który wywołują pola magnetyczne wywołane przez harmoniczne napięcia, silnik może być przyspieszony (sekwencja pozytywna) lub hamowany (sekwencja negatywna), lub oba na raz, wywołując wibracje i mimośród, które powodują zużycie mechaniczne podzespołów. Badanie dyskwalifikacji silnika wobec współczynnika zniekształceń napięcia opisane jest w normach EN 60034-12 i NEMA MG1. Ostatecznie, obserwowane czynniki powodują wytracenie momentu obrotowego silnika i zmniejszenie jego wydajności.

Zakłócenia przepływu przez zero

Różne urządzenia elektroniczne wyposażone są w sterowniki, które uruchamiają odbiorniki przy przejściu przez zero napięcia. Służy to minimalizacji szczytów prądów z komutacji wielu odbiorników indukcyjnych oraz minimalizacji ich wpływu na kompatybilność elektromagnetyczną. Przy odkształceniu napięcia, działanie ww. urządzeń może być zupełnie błędne i może doprowadzić do ich zepsucia, zapętlenia się, lub ponownego uruchomienia, itd.

Zakłócenia przepływu przez zero

Po analizie pochodzenia i skutków harmonicznych prądów, należy podkreślić, że cele wyeliminowania ich z instalacji elektrycznych nie są czysto ekonomiczne, lecz są zorientowane na zapewnienie jakości zasilania. W odróżnieniu od czynnika mocy, aktualnie nie istnieją kary za problemy spowodowane obecnością harmonicznych w sieci konsumentów energii elektrycznej. Na poziomie oszczędności, mimo, że wspomniano, że harmoniczne zwiększają wartość skuteczną prądu, a to oznacza wzrost zużycia energii, nie jest rozsądnym wprowadzać rozwiązania filtrowania harmonicznych w celu zmniejszenia dodatkowych strat, jako że urządzenia wymagane do tego celu również pobierają prąd i prawdopodobnie nie oznaczałoby to oszczędności.


Jaki jest więc cel ograniczania obecności harmonicznych w naszych instalacjach?

Odpowiedź na to pytanie polega na zaletach korzystania z energii elektrycznej wysokiej jakości płynącej w naszych układach elektrycznych:

Unikanie niepotrzebnych uruchomień zabezpieczeń i zapewnienie dobrego działania urządzeń przyczyni się do utrzymania ciągłości usług, kluczowej w działalności przemysłowej.

Fakt utrzymania współczynnika zniekształceń na niskim poziomie pozwoli na znaczne oszczędności przy konserwacji urządzeń, upewniając się, że te zawsze działają w optymalnych warunkach i unikając przedwczesnych awarii, które wpływają na ciągłości usług oraz odczuwalne są ekonomiczne skutki napraw i wymian.

Poza powyższymi, należy uznać bezpieczeństwo instalacji elektrycznych za priorytet w szczególności mając na uwadze obecność personelu obsługującego maszyny i zapobieganie poważnym wypadkom takim jak pożary. W tym sensie, wyposażenie w kable i urządzenia prawidłowo dopasowane do warunków pracy, okazuje się kluczowe dla ograniczenia błędów izolacji lub przegrzania podzespołów.

Propozycja firmy CIRCUTOR: Filtry aktywne AFQm

Ostatnia nowość od Circutor w zakresie filtrowania harmonicznych przychodzi z wprowadzeniem na rynek nowych filtrów aktywnych AFQm. Nowa seria AFQ oferuje więcej możliwości dzięki modułowemu projektowi, teraz bardziej kompaktowemu, lżejszemu, bardziej wydajnemu z gwarancją jakości działania swojego poprzednika AFQevo.

Zasadą działania filtru AFQm jest impuls prądowy w fazie przeciwnej do harmonicznych prądu przepływających w sieci. Urządzenie mierzy przychodzący współczynnik zniekształceń i kompensuje, aby przybliżyć się jak najbardziej do jednej sinusoidalnej fali, jak widać na następującym rysunku:

Zasada działania filtru aktywnego
Zasada działania filtru aktywnego

W ten sposób otrzymuje się filtrowanie wysokoprecyzyjne, pomagające utrzymać jakość zasilania elektrycznego, co przekłada się na większą wydajność i lepsze globalne działanie elementów instalacji, jak wykazano w poprzednich punktach tego artykułu.

Ze względu na zwiększoną obecność harmonicznych w aktualnych instalacjach elektrycznych, filtry AFQm mają szerokie zastosowanie, w szczególności w tych sektorach, w których wysoka jakość kształtu fali jest konieczna. Filtry aktywne AFQm


Właściwości filtru aktywnego AFQm

Wielofunkcyjny
Wielofunkcyjny

AFQm eliminuje harmoniczne i dba o jakość zasilania w twojej instalacji.

Filtr aktywny wielofunkcyjny, z możliwością ustawienia priorytetów wykonywania zadań:

  • Filtr harmonicznych prądu
  • Równoważenie faz
  • Kompensacja mocy biernej

 

Praktyczny
Praktyczny

Szybka instalacja i uruchomienie w prostych krokach.

Wystarczy podłączyć do sieci filtr i przekładniki pomiarowe, skonfigurować urządzenie przy pomocy ekranu dotykowego i uruchomić. Urządzenie upewni się samo, że rozruch może zostać wykonany bezpiecznie dzięki systemowi autodiagnostyki wewnętrznej.

Interaktywny
Interaktywny

Kolorowy wyświetlacz pozwala na konfigurację sprzętu i na wizualizację stanu instalacji w czasie rzeczywistym.

  • Wygodna konfiguracja urządzenia - proces jasny i sterowany. Aby uzyskać optymalne działanie urządzenia istnienie możliwość samodzielnego wyboru harmonicznych do filtrowania.
  • Rozwiązanie błędów połączenia: W przypadku powszechnego problemu jakim jest błędne połączenie przekładników pomiarowych, wystarczy wejść do menu konfiguracji, i naprawić je naprawić kilkoma kliknięciami.
  • Wyświetlanie w czasie rzeczywistym: Za pomocą ekranu dotykowego istnieje również możliwość wizualizacji stanu filtra, odczytu głównych parametrów elektrycznych, wykresów fazorowych, kształtu fali i spektrum harmonicznych. Informacja przedstawiona jest w bardzo widoczny dla użytkownika sposób za pomocą grafików i wykresów, w celu natychmiastowego rozpoznania zachowania instalacji i urządzenia. W tym sensie, urządzenie podaje informację z przed 5 sekund poprzedzających uruchomienie alarmu do całkowitej kontroli stanu instalacji.

Rozwiązanie błędów połączeniaWyświetlanie w czasie rzeczywistym

Modułowy

Znajdź połączenie, które najlepiej odpowiada twoim potrzebom filtrowania

Modułowy

Gama kompaktowa AFQm składa się z 3 modeli do instalacji naściennej: 30A, 60A y 100A. W porównaniu do modeli wcześniejszych, nowe filtry aktywne są bardziej kompaktowe, lżejsze, cichsze i umożliwiają większą liczbę zestawień. W instalacji, która potrzebuje większej pojemności filtrowania, można zainstalować modele 100A w układzie typu szafy, uzyskując szafę do 400A. W tych konfiguracjach, tylko jeden moduł działa jako master i zarządza całym układem filtrowania. W ten sposób, oszczędza się na przekaźnikach pomiarowych i na kablach elektrycznych. Potrzebne są tylko 3 przekaźniki prądowe podłączone do master i szyna kablowa CAN z modułami slave. W przypadku jeszcze większego zapotrzebowania na filtrowanie, funkcja master-slave może zostać rozbudowana do 100 urządzeń podłączonych równolegle.

Modułowy Modułowy

Skomunikowany

Zarządzaj swoim urządzeniem, gdziekolwiek jesteś przy pomocy PC lub urządzeń mobilnych

AFQm przystosowany jest do komunikacji Ethernet, TCP/IP y Modbus, TCP do monitorowania online przez stronę internetową, z której można ściągnąć dane w formacie Excel za pomocą bezpośredniego pobierania (bez konieczności instalacji oprogramowania). Ponadto, umożliwia całkowitą konfigurację urządzenia, ze wszystkimi funkcjami konfiguracji przez ekran, i pozwala na monitorowanie filtra w czasie rzeczywistym i zdalnie.

Na przykład, możliwe jest uruchomienie urządzenia zdalnie, z personelem na miejscu odpowiedzialnym tylko za fizyczną instalację filtra i wykonywanie czynności takich jak nadzór zdalnie. W ten sposób oszczędzamy na kosztach przejazdu personelu technicznego na miejsce instalacji, przeznaczając na to środki tylko i wyłącznie, gdy jest to konieczne.

Rejestrujący
Rejestrujący

Wszystkie odczyty są rejestrowane w pamięci urządzenia, aby nie pominąć żadnego szczegółu

Filtr zachowuje odczyty okresowo co minutę i ma pojemność 7 lat rejestracji danych dzięki wewnętrznej pamięci 2 Gb. Rejestry mogą być odzyskiwane dzięki protokołom komunikacyjnym w celu dogłębnej analizy zachowań instalacji.

Bezpieczny

Urządzenie integruje wszystkie systemy skoncentrowane na ograniczeniu jego potrzeb serwisowych

AFQm wyposażony jest w serię systemów, które zapewniają bezpieczeństwo działania filtra:

  • System ochrony, który zapobiega uruchomieniu, jeśli pojawi się problem
  • System przeciw rezonansowy: urządzenie unika pracy na konkretnych częstotliwościach jeśli wykrywa rezonans
  • Inteligentny system zarządzania termicznego regulujący prędkość wentylatorów i regulujący moc w warunkach wysokiej temperatury
  • Aktywacja bezpiecznego trybu pracy w przypadku wykrycia usterki
  • Urządzenia wykonuje czynności autodiagnostyczne kodu i sprzętu je wykonującego

Aktywacja bezpiecznego trybu

Sprawdź informacje dotyczące nowych filtrów aktywnych AFQm:

circutor32x32

Kontakt

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Wsparcie techniczne

(+34) 93 745 29 19

SAT