W wielu zakładach przemysłowych kompensacja mocy biernej kojarzy się wyłącznie z mało zaawansowanym, tradycyjnym urządzeniem kompensującym. To rozwiązanie znane i proste, ale w większości przypadków mało skuteczne. W dobie powszechnych odbiorników nieliniowych – falowników, UPS-ów, zasilaczy impulsowych – okazuje się niewystarczające.

Filtry aktywne, takie jak modele APF-100 i APF-300 z oferty Elsta Elektronika, oferują znacznie więcej: dynamiczną kompensację mocy biernej o charakterze indukcyjnym i pojemnościowym, eliminację wyższych harmonicznych prądu, poprawę współczynnika mocy nawet przy zmiennym obciążeniu, a także symetryzację prądów fazowych. W tym artykule wyjaśniamy, kiedy klasyczna kompensacja przestaje działać i kiedy warto przejść na filtr aktywny.

Dlaczego kompensujemy moc bierną?

Moc bierna nie wykonuje pracy, ale obciąża sieć i generuje koszty. Jej nadmiar powoduje:

• spadki lub wzrosty napięcia i przeciążenia transformatorów,
• wzrost strat cieplnych w przewodach,
• obniżenie sprawności systemu zasilania,
• opłaty karne naliczane przez OSD, jeśli współczynnik mocy wzrośnie powyżej ustalonego progu tgφ (np. 0,4) dla poboru energii biernej indukcyjnej,
• opłaty karne naliczane przez OSD za każdą kilovarogodzinę energii biernej pojemnościowej wprowadzonej do sieci.

Dlatego stosuje się kompensację – czyli wprowadzenie do sieci elementu, który wytwarza przeciwną składową mocy biernej i tym samym ją redukuje.

Klasyczna kompensacja mocy biernej indukcyjnej – jak działa i kiedy wystarcza?

Tradycyjne rozwiązanie kompensacyjne to układ pasywnej kompensacji mocy biernej o charakterze indukcyjnym. W klasycznym układzie z obciążeniem liniowym (np. silnikami) taka kompensacja może być wystarczająca. System kompensacyjny, często z przełączanymi sekcjami, wprowadza pojemność do obwodu, co poprawia współczynnik mocy tgφ.

Ograniczenia tradycyjnego rozwiązania:

• Nie kompensuje mocy biernej pojemnościowej (np. z UPS-ów).
• Nie radzi sobie z obciążeniami nieliniowymi – nie eliminuje wyższych harmonicznych.
• Nie działa dynamicznie – reaguje powoli na zmiany obciążenia.
• W obecności wyższych harmonicznych może nawet pogarszać sytuację (ryzyko rezonansu z siecią).
• Istnieje znaczne ryzyko przekompensowania tj. wprowadzenia do sieci zbyt dużej ilości energii biernej pojemnościowej.
• W sieciach, gdzie dominuje elektronika mocy, takie rozwiązanie po prostu nie wystarcza.

Filtr aktywny – jak działa i co potrafi więcej?

Filtr aktywny – np. APF-100/50/4w/E – to urządzenie oparte na szybkich tranzystorach SIC, które analizuje prądy i napięcia w czasie rzeczywistym. Na podstawie tej analizy generuje prąd kompensacyjny, który:

• redukuje moc bierną (indukcyjną i pojemnościową),
• filtruje wyższe harmoniczne prądu (THDi),
• symetryzuje prądy fazowe.
• redukuje prąd w przewodzie neutralnym.
  

Dzięki temu poprawia całościowo jakość energii w sieci i pozwala wypełnić obowiązek ograniczenia strat energii, opisany w Ustawie z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej. Urządzenie kompensuje zakłócenia niezależnie od źródła — może współpracować z falownikami, UPS-ami, oświetleniem LED, zasilaczami impulsowymi i innymi urządzeniami.

Kiedy tradycyjne rozwiązanie to za mało?

Typowe przypadki:

• Występuje obciążenie nieliniowe – np. falowniki zasilające silniki o zmiennej prędkości.
• THDi przekracza dopuszczalne wartości – wzrost strat, wyzwalanie zabezpieczeń, zakłócenia sterowania.
• Moc bierna jest zmienna i trudna do przewidzenia – np. w liniach pakujących, przemyśle spożywczym, automatyce.
• Występuje moc bierna pojemnościowa – której klasyczne rozwiązanie nie kompensuje.
• Zakład nie spełnia norm jakości energii – a OSD nalicza opłaty karne za przekroczenie poboru energii biernej indukcyjnej lub wprowadzenie do sieci energii biernej pojemnościowej
  

Przykłady zastosowań filtrów aktywnych APF-100 i APF-300

Elsta Elektronika oferuje filtry aktywne w wersjach:

• APF-100/25/4w/E – kompensacja do 25 A na fazę,
  
• APF-100/50/4w/E – kompensacja do 50 A na fazę,
  
• APF-300/200/E – kompensacja do 200 A na fazę,
  
• APF-300/400/E – kompensacja do 400 A na fazę.
  

Typowe zastosowania:

• linie produkcyjne z napędami o zmiennej prędkości,
  
• hale przemysłowe z dużym udziałem przekształtników,
  
• rozdzielnice w centrach danych i obiektach biurowych,
  
• zakłady spożywcze i farmaceutyczne z systemami HVAC,
  
• duże zakłady przetwórcze z automatyką zasilaną falownikowo.
  

Wszystkie modele oferują komunikację poprzez modbus TCP/IP, możliwość monitorowania parametrów przez interfejs webowy albo kolorowy, dotykowy panel HMI i są przystosowane do pracy w sieciach niskiego napięcia w układzie 4-przewodowym.

Porównanie technologii: tradycyjne rozwiązanie vs filtr aktywny

Cecha	Tradycyjne rozwiązanie	Filtr aktywny (np. APF-100/50/4w/E)
Charakter kompensowanej mocy biernej	tylko indukcyjna	indukcyjna + pojemnościowa
Filtracja wyższych harmonicznych prądu	brak	tak (do 50. harmonicznej)
Reakcja na zmiany obciążenia	wolna, etapowa	dynamiczna, w czasie rzeczywistym
Wpływ na THDi	neutralny lub negatywny	redukcja THDi <5%
Potencjalne ryzyko rezonansu	obecne	brak
Poprawa jakości energii elektrycznej	szczątkowa	kompleksowa

Jak dobrać rozwiązanie kompensacyjne do swojej instalacji?

Wybór między tradycyjnym rozwiązaniem a filtrem aktywnym powinien być oparty na:

• profilu obciążenia (liniowe vs nieliniowe),
  
• zmienności mocy biernej,
  
• poziomie THDi,
  
• wymaganiach operatora sieci i norm prawnych.
  

Tradycyjne rozwiązanie poradzi sobie w stabilnych układach z silnikami bez falowników.
Filtr aktywny sprawdzi się tam, gdzie potrzebna jest eliminacja zakłóceń pochodzących od wyższych harmonicznych prądu, dynamiczna reakcja na zmiany charakterystyki włączanych odbiorników i kompleksowa korekta jakości energii.