Jakość energii elektrycznej w zakładach przemysłowych ma bezpośredni wpływ na niezawodność pracy maszyn, efektywność energetyczną oraz żywotność urządzeń automatyki. Wraz z rosnącą liczbą odbiorników nieliniowych, rozproszonych źródeł energii i przekształtników energoelektronicznych, utrzymanie stabilnych parametrów zasilania staje się jednym z najważniejszych wyzwań współczesnego przemysłu.

W tym opracowaniu przedstawiamy najważniejsze parametry jakościowe energii elektrycznej, obowiązujące normy oraz ich wpływ na funkcjonowanie zakładów produkcyjnych.

Czym są parametry jakościowe energii elektrycznej

Parametry jakościowe energii elektrycznej określają zgodność napięcia i częstotliwości z wymaganiami pozwalającymi na prawidłową pracę odbiorników. Ich wartość zależy od charakterystyki sieci, rodzaju odbiorów oraz warunków eksploatacji.

Najważniejsze parametry obejmują:

• poziom napięcia i odchylenia napięcia,
• częstotliwość zasilania,
• współczynnik THDu i THDi,
• migotanie napięcia (flicker),
• symetrię napięć i prądów,
• krótkotrwałe zapady i wzrosty napięcia
• czasowe przerwy w zasilaniu,
• zawartość wyższych harmonicznych.

Ich analiza pozwala ocenić stabilność zasilania oraz zidentyfikować potencjalne zagrożenia dla instalacji i urządzeń.

Normy dotyczące jakości energii elektrycznej

PN-EN 50160 – parametry napięcia w sieciach publicznych

Norma PN-EN 50160 definiuje dopuszczalne zakresy parametrów jakościowych napięcia dostarczanego przez sieć elektroenergetyczną niskiego i średniego napięcia. Obejmuje m.in.:

• odchylenia napięcia: ±10 % wartości znamionowej,
• częstotliwość: 50 Hz ±1 %,
• współczynnik THDu: zwykle do 8 %,
• migotanie: zgodnie z wartościami krótkoterminowymi Pst i długoterminowymi Plt,
• dopuszczalne poziomy zapadów i krótkotrwałych przerw.

Norma ta jest podstawą oceny jakości energii dostarczanej przez operatorów systemów dystrybucyjnych.

Najważniejsze parametry jakości energii i ich znaczenie

Odchylenia napięcia

Zbyt wysokie lub zbyt niskie napięcie prowadzi do:

• przegrzewania silników,
• spadku sprawności,
• wyzwalania zabezpieczeń,
• nieprawidłowej pracy sterowników.

Pozornie niewielkie odchylenia mogą generować poważne konsekwencje w zakładach o wysokiej automatyzacji.

Częstotliwość

Stałość częstotliwości zasilania ma kluczowe znaczenie dla:

• synchronizacji napędów,
• sterowania procesami,
• pracy generatorów i instalacji PV.

Choć odchylenia częstotliwości są rzadkie, ich skutki mogą być poważne.

Harmoniczne napięcia i prądów (THDu i THDi)

Wyższe harmoniczne powodują:

• nagrzewanie transformatorów,
• przeciążenie przewodu neutralnego,
• błędy falowników i sterowników,
• wyzwalanie zabezpieczeń.

Redukcja wyższych harmonicznych jest jednym z najskuteczniejszych sposobów poprawy jakości energii w przemyśle.

Migotanie napięcia (flicker)

Wahania napięcia widoczne jako pulsowanie oświetlenia. Powodowane przez:

• zmienne obciążenia,
• rozruchy dużych silników,
• impulsy z urządzeń energoelektronicznych.

Flicker negatywnie wpływa na pracę maszyn wrażliwych na stabilność napięcia.

Symetria napięć i prądów

Asymetria napięć prowadzi do:

• nierównomiernego obciążenia faz,
• nagrzewania silników,
• spadku trwałości izolacji,
• zwiększenia prądów w przewodzie neutralnym.

To jeden z najczęstszych problemów w zakładach z rozproszonym obciążeniem.

Zapady i wzrosty napięcia

Krótkotrwałe obniżenia lub podwyższenia napięcia są częstą przyczyną:

• resetów sterowników,
• błędów napędów,
• zatrzymań linii produkcyjnych.

Ich detekcja wymaga analizatorów klasy A zgodnych z EN 61000-4-30.

Diagnostyka parametrów jakości energii

Analiza jakości energii w czasie rzeczywistym

Skuteczna ocena jakości energii wymaga:

• rejestracji napięć, prądów i wyższych harmonicznych,
• pomiarów z wysoką rozdzielczością,
• rejestracji zapadów i wzrostów napięcia
• analizy mocy czynnej, biernej i odkształcenia.

W środowisku przemysłowym pomiar powinien obejmować pełną analizę widmową tj. do  50. harmonicznej.

Dlaczego standardowe mierniki nie wystarczają

Multimetry lub proste analizatory:

• nie rejestrują zdarzeń szybkozmiennych,
• nie wykrywają harmonicznych wyższych rzędów,
• nie analizują zdarzeń typu zapad, wzrost napięcia
• nie pozwalają na precyzyjne diagnozowanie przyczyn zakłóceń.

Do poprawnej analizy potrzebny jest analizator zgodny z IEC 61000-4-30 klasy A.

Sposoby poprawy parametrów jakości energii w zakładach przemysłowych

Filtry aktywne typu APF-100 i APF-300

Filtry aktywne skutecznie redukują:

• wyższe harmoniczne prądu (THDi),
• obciążenie przewodu neutralnego,
• asymetrię prądów,
• moc bierną indukcyjną i pojemnościową.

Stabilizują pracę linii produkcyjnych i eliminują problemy automatyki wynikające z odkształconego prądu.

Kondycjonery napięcia typu KN-01

Urządzenia stabilizujące napięcie w czasie rzeczywistym są stosowane na wybranych odcinkach linii niskiego napięcia – tam, gdzie występują:

• zapady i wzrosty napięcia,
• spadki napięcia podczas rozruchów zakładów produkcyjnych
• nagłe zmiany obciążenia,
• asymetria napięć.

Poprawiają parametry napięcia i pozwalają operatorom OSD utrzymać wartości zgodne z normą PN-EN 50160.

Modernizacja instalacji

Do najczęstszych działań należą:

• zwiększenie przekrojów przewodów,
• ograniczenie długości obwodów o dużej impedancji,
• poprawa jakości połączeń,
• odpowiedni podział sekcji zasilających.

Prawidłowa kompensacja mocy biernej

Kompensacja wpływa na:

• obniżenie prądów roboczych,
• odciążenie transformatorów,
• stabilność napięcia,
• poprawę ogólnych parametrów jakości energii.obniżenie kosztów energii biernej, które są naliczane przez operatorów.

W instalacjach z dużą liczbą falowników stosuje się filtry aktywne, które kompensują moc bierną dynamicznie.

Podsumowanie

Parametry jakościowe energii elektrycznej mają kluczowe znaczenie dla niezawodności pracy zakładów przemysłowych. Odkształcenia prądu i napięcia, zapady napięcia, asymetria faz czy migotanie mogą prowadzić do awarii urządzeń, zakłóceń pracy automatyki oraz wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Prawidłowa diagnostyka oraz zastosowanie odpowiednich rozwiązań – takich jak filtry aktywne i kondycjonery napięcia – pozwalają skutecznie poprawić jakość zasilania oraz zwiększyć stabilność i bezpieczeństwo pracy instalacji przemysłowych.