Harmoniczne i aktywna filtracja

Skąd biorą się harmoniczne?

Wiele urządzeń elektronicznych pobiera prąd nierównomiernie w trakcie każdego okresu napięcia, np. krótkimi impulsami. Przebieg takiego prądu jest odkształcony względem sinusoidy. Odbiorniki zachowujące się w ten sposób nazywa się nieliniowymi. Należą do nich m.in. część zasilaczy, prostowniki i napędy z przemiennikami częstotliwości.

Odkształcony przebieg można opisać jako sumę składowej podstawowej oraz wyższych harmonicznych. W sieci o częstotliwości 50 Hz trzecia harmoniczna ma 150 Hz, piąta 250 Hz, a siódma 350 Hz. Ich udział zależy od konstrukcji odbiorników i warunków pracy.

Harmoniczne prądu, przepływając przez impedancję sieci, powodują dodatkowe odkształcenia napięcia. Mogą więc wpływać również na inne urządzenia zasilane z tej samej instalacji.

Jak harmoniczne wpływają na instalację?

Nadmierne harmoniczne mogą zwiększać straty i nagrzewanie przewodów oraz transformatorów. Mogą również przeciążać kondensatory i zakłócać pracę urządzeń. O skali problemu decydują wartości poszczególnych harmonicznych oraz właściwości instalacji.

W układzie trójfazowym z przewodem neutralnym szczególne znaczenie ma trzecia harmoniczna i jej nieparzyste wielokrotności, np. dziewiąta i piętnasta. Ich składowe pochodzące z odbiorników jednofazowych mogą sumować się w przewodzie neutralnym.

Dlatego podobne obciążenie trzech faz nie musi oznaczać małego prądu w przewodzie N.

Jak działa aktywny filtr harmonicznych?

Filtr aktywny mierzy prąd i wyznacza składowe wymagające ograniczenia. Następnie układ energoelektroniczny wytwarza prąd kompensacyjny zawierający odpowiednie składowe o przeciwnych fazach. Po ich zsumowaniu z prądem odbiorników udział wybranych harmonicznych po stronie zasilania maleje.

Układ śledzi zmiany obciążenia i aktualizuje korektę. Jest to przydatne w obiektach, w których liczba pracujących urządzeń i ich obciążenie zmieniają się w ciągu dnia.

Filtr równoległy ogranicza przepływ harmonicznych w odcinkach zasilania objętych jego działaniem. Sam odbiornik nadal może pobierać odkształcony prąd, dlatego miejsce podłączenia filtra i pomiaru ma znaczenie dla efektu w poszczególnych częściach instalacji.

Funkcję tę może realizować kompensator ASVG lub dedykowany filtr AHF. Dobór zależy od tego, jak duże są potrzeby kompensacji mocy biernej i filtracji harmonicznych oraz czy obie funkcje mają pracować jednocześnie.

THDi i THDu — jak sprawdzić efekt filtracji?

THDi opisuje odkształcenie prądu, a THDu odkształcenie napięcia. W powszechnie stosowanej definicji wskaźniki te odnoszą łączną wartość skuteczną wyższych harmonicznych do wartości skutecznej składowej podstawowej i podają wynik w procentach.

Wynik procentowy należy oceniać razem z obciążeniem. Przykładowo przy łącznej wartości skutecznej harmonicznych prądu 10 A i składowej podstawowej 100 A wskaźnik THDi wynosi 10%. Jeśli składowa podstawowa spadnie do 50 A, a harmoniczne pozostaną na poziomie 10 A, THDi wzrośnie do 20%. W tym przykładzie wartość prądu harmonicznych nie wzrosła.

Przy ocenie filtracji warto porównać pomiary przed i po uruchomieniu, wykonane w tym samym punkcie i przy podobnym obciążeniu. Oprócz THDi i THDu sprawdza się wartości poszczególnych harmonicznych w amperach, a w układach czteroprzewodowych również prąd przewodu neutralnego.

Filtracja harmonicznych prądu może poprawić przebieg napięcia, lecz wynik zależy także od parametrów sieci i zakłóceń pochodzących spoza obiektu.

Dlaczego dobry cos φ nie oznacza braku harmonicznych?

Cos φ opisuje przesunięcie fazowe składowych podstawowych napięcia i prądu. Całkowity współczynnik mocy PF uwzględnia również wpływ odkształceń.

Dlatego cos φ bliski jedności nie oznacza automatycznie, że prąd ma prawidłowy kształt.

Kompensacja mocy biernej i filtracja harmonicznych uzupełniają się. Gdy pomiary wskazują na obie potrzeby, urządzenie trzeba dobrać z uwzględnieniem wspólnej wydajności prądowej, obsługiwanych harmonicznych i warunków pracy.