Dynamiczny rozwój techniczny naszej cywilizacji powoduje wzrost zapotrzebowania na zasoby energetyczne w tym również w postaci energii elektrycznej. Do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się w znaczącym stopniu naturalne zasoby energetyczne ziemi, takie jak węgiel, ropę naftową i gaz ziemny, których, jak wiadomo, zasoby są ograniczone. Produkcja energii elektrycznej w konwencjonalnych elektrowniach, wiąże się z negatywnym wpływem na środowisko (zanieczyszczenie powietrza, powstawanie gazów cieplarnianych). Żeby ograniczyć destruktywny wpływ rozwoju naszej cywilizacji na środowisko, poszukuje się metod efektywnego i racjonalnego wykorzystania energii elektrycznej. Takie możliwości dają nam nowoczesne urządzenia elektryczne wyposażone w obwody energoelektroniczne (charakteryzują się one wysoką sprawnością oraz pozwalają na optymalizację zużycia energii elektrycznej). Najczęściej są to urządzenia, które powodują przepływ zniekształconego prądu, co wprowadza do sieci elektroenergetycznej zakłócenia w postaci składowych wyższych harmonicznych. Ich liczba od lat 90. zeszłego wieku rośnie w lawinowym tempie. Dobrym przykładem takiego odbiornika powszechnie stosowanym w przemyśle jest przemiennik częstotliwości, a w zasadzie jego stopień wejściowy – prostownik 6-pulsowy.
Gdy mówimy o jakości energii elektrycznej, mamy na myśli pojęcia, jak: moc bierna, efekt migotania światła, zawartość wyższych harmonicznych, asymetria napięć, itd. 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. Ów prąd powoduje spadek napięcia na impedancji źródła zasilania (transformatora), co powoduje odkształcenie napięcia, które zasila wszystkie odbiorniki w układzie (nawet odbiorniki liniowe).
Wielkością określającą zniekształcenie napięcia lub prądu przez obecność wyższych harmonicznych jest tzw. współczynnik THD (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 granicę 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, których częstotliwość jest mniejsza od częstotliwości składowej podstawowej. Powszechnie występującym obciążeniem nieliniowym jest prostownik 6 – pulsowy, typowo spotykany w energoelektronicznych układach 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 przemiennik częstotliwości, który podczas swojej pracy znamionowej pobiera prąd o wartości skutecznej 70,7A z sieci 50Hz. W rzeczywistości przemiennik wyposażony jest w prostownik 6 – pulsowy, który pobiera również wyższe harmoniczne (głównie najbardziej znaczącą 5 i 7 rzędu). Wynikowo odbiornik pobiera sumę tych prądów – rysunek 1.
Rys 1. Rzeczywisty przebieg prądu (czerwony) na wejściu przemiennika częstotliwości
W ostateczności otrzymujemy zniekształcony przebieg okresowy, którego amplituda może być o kilkadziesiąt procent większa od składowej podstawowej. Wartość skuteczna składowej podstawowej wynosiła 70,7 A. Suma wartości skutecznych prądów wyższych harmonicznych wynosi: 30,8 A. W konsekwencji przemiennik pobiera prąd o wartości skutecznej wynoszącej 77,14 A, 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.
Jednofazowe przemienniki częstotliwości 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.
Perfekcyjnym rozwiązaniem, które jest w stanie kompleksowo zadbać o jakość energii elektrycznej są filtry aktywne ADF ANIRO (pełna teoria działania filtrów tu). Za pomocą jednego tylko urządzenia możliwa jest kompensacja mocy biernej, harmonicznych, eliminacja migotania światła, symetryzacja obciążenia. Filtr aktywny działa na podobnej zasadzie jak słuchawki aktywne. 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 podłącza się równolegle do obwodu. Rolę „mikrofonu” pełnią w układzie przekładniki prądowe. Przypadkowa awaria filtru nie skutkuje zatrzymaniem pracy układu. Sam filtr należy zabezpieczyć zwarciowo i przepięciowo (dobór pod ciągły prąd znamionowy).
Sama instalacja, 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.
Więcej na termat działania i możliwości filtrów aktywnych już w czerwcu (27-28.06.2019 r.) podczas Akademii Jakości Energii Elektrycznej. Pełen program wydarzenia i formularz rejestracyjny można znaleźć na stronie internetowej ANIRO: https://aniro.pl/akademia/.
Rys 2. Zestawienie filtrów aktywnych adf
