Harmoniczne w sieci elektrycznej stanowią jeden z najpoważniejszych problemów nowoczesnych instalacji. Powodują przegrzewanie przewodów, awarie urządzeń i znaczne straty energii. Skąd się biorą i jak można je skutecznie wyeliminować?

Czym są harmoniczne w sieci elektrycznej

Harmoniczne w sieci to zniekształcenia prądu i napięcia, które odbiegają od idealnej sinusoidy. W normalnych warunkach prąd elektryczny powinien płynąć w postaci gładkiej fali o częstotliwości 50 Hz. W rzeczywistości przebieg jest zniekształcony przez różne urządzenia elektryczne.

Wyższe harmoniczne prądu powstają jako wielokrotności częstotliwości podstawowej. Najczęściej występują harmoniczne 3., 5., 7., 11. i 13. rzędu. Oznacza to częstotliwości odpowiednio 150, 250, 350, 550 i 650 Hz.

Do oceny poziomu zniekształceń pochodzących od wyższych harmonicznych prądu używa się wskaźnika THDi (współczynnik odkształcenia prądu). Wartości poniżej 5% uważa się za akceptowalne, natomiast przekroczenie 15-20% może powodować poważne problemy w instalacji.

Główne źródła wyższych harmonicznych

Falowniki i przemienniki częstotliwości

Falowniki to obecnie największe źródło wyższych harmonicznych w przemyśle. Służą do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych. Podczas pracy pobierają prąd w postaci krótkich impulsów zamiast gładkiej sinusoidy.

Pojedynczy falownik może generować THDi na poziomie 30-40%. W zakładach z dziesiątkami takich urządzeń problem staje się bardzo poważny. Wyższe harmoniczne sumują się, pogłębiając zniekształcenia w całej sieci.

Zasilacze awaryjne UPS

Systemy UPS chronią urządzenia przed przerwami w zasilaniu. Niestety, jednocześnie wprowadzają do sieci wyższe harmoniczne. Dzieje się tak zarówno podczas normalnej pracy, jak i ładowania akumulatorów.

Problem jest szczególnie widoczny w centrach danych. Setki systemów UPS pracujących jednocześnie mogą podnieść THDi nawet do 40%. To grozi uszkodzeniem transformatorów zasilających.

Nowoczesne oświetlenie LED

Oświetlenie LED zyskuje na popularności ze względu na oszczędność energii. Jednak sterowniki lamp LED zawierają zasilacze impulsowe, które generują wyższe harmoniczne. Pojedyncza lampa to niewielki problem, ale w dużych obiektach efekt się kumuluje.

W biurowcach z tysiącami opraw LED wyższe harmoniczne 3. rzędu sumują się w przewodzie neutralnym. Może to prowadzić do jego przeciążenia mimo symetrycznego obciążenia faz.

Urządzenia spawalnicze

Spawarki, szczególnie inwerterowe, wprowadzają intensywne zakłócenia. Łuk elektryczny ma nieliniową charakterystykę, generując wyższe harmoniczne wszystkich rzędów. W halach z wieloma stanowiskami spawalniczymi problem może być bardzo dotkliwy.

Skutki obecności wyższych harmonicznych

Przegrzewanie przewodów i urządzeń

Przegrzewanie przewodów to najczęstszy skutek wyższych harmonicznych. Wyższe częstotliwości płyną głównie powierzchnią przewodnika (efekt naskórkowości). Zwiększa to opór i powoduje dodatkowe nagrzewanie.

Przewód o przekroju 50 mm² może nagrzewać się jak przewód 25 mm² przy dużej zawartości harmonicznych. To skraca żywotność izolacji i zwiększa ryzyko pożaru.

Transformatory są szczególnie narażone. Straty w rdzeniu rosną wraz z częstotliwością, a wyższe harmoniczne powodują dodatkowe nagrzewanie uzwojeń. Może to skrócić żywotność transformatora o połowę.

Zniekształcenie napięcia

Odkształcenia prądu powodują też zniekształcenia przebiegu napięcia. Gdy prądy harmoniczne płyną przez impedancję sieci, powstają spadki napięcia o różnych częstotliwościach. Deformuje to sinusoidę napięcia zasilającego.

Wrażliwe urządzenia elektroniczne mogą błędnie interpretować zniekształcone napięcie. Skutkiem są restarty komputerów, błędy sterowników PLC i nieprawidłowe działanie systemów automatyki.

Awarie maszyn i sterowników

Awarie urządzeń spowodowane wyższymi harmonicznymi to poważny problem w przemyśle. Systemy sterowania zawierają precyzyjne układy pomiarowe, które mogą błędnie odczytywać zniekształcone sygnały.

Silniki elektryczne zasilane napięciem z wyższymi harmonicznymi wykazują zwiększone wibracje i hałas. W skrajnych przypadkach może dojść do uszkodzenia łożysk lub innych elementów mechanicznych.

Przeciążenie przewodu neutralnego

W instalacjach trójfazowych harmoniczne 3. rzędu mają szczególnie destrukcyjne działanie. W odróżnieniu od prądu podstawowego, harmoniczne 3. rzędu nie kompensują się w przewodzie neutralnym – sumują się.

Może to prowadzić do sytuacji, gdy prąd w przewodzie neutralnym jest większy niż w przewodach fazowych. Grozi to przegrzaniem i pożarem, szczególnie w starszych instalacjach.

Metody eliminacji wyższych harmonicznych

Filtry pasywne

Filtry pasywne to tradycyjne rozwiązanie problemu wyższych harmonicznych. Składają się z cewek i kondensatorów połączonych w obwody rezonansowe. Każdy filtr pasywny jest projektowany do eliminacji konkretnej harmonicznej – najczęściej 5. lub 7. rzędu.

Filtry pasywne to prosta konstrukcja i brak potrzeby zasilania. Wady to przede wszystkim sztywność działania. Filtr zaprojektowany na 5. harmoniczną skutecznie tłumi tylko tę częstotliwość. Po zmianie charakteru obciążenia może być nieskuteczny.

Filtry aktywne – zaawansowane rozwiązanie

Filtry aktywne to nowoczesna technologia eliminacji wyższych harmonicznych. Wykorzystują układy elektroniczne z procesorami typu FPGA. Ciągle monitorują widmo harmonicznych i generują prądy kompensacyjne o przeciwnej fazie do występujących zakłóceń.

Kluczowa zaleta to skuteczność filtracji do 50. rzędu harmonicznych. Urządzenie automatycznie dostosowuje się do zmian obciążenia, eliminując wybrane harmoniczne jednocześnie. Ryzyko rezonansu z siecią praktycznie nie istnieje.

Filtry aktywne oferują dodatkowe funkcje:

• Kompensację mocy biernej
• Symetryzację obciążeń
• Obniżenie prądu przewodu neutralnego

Porównanie skuteczności

Filtry aktywne vs pasywne różnią się znacząco skutecznością. Filtry pasywne redukują THDi do poziomu 8-12%. Filtry aktywne osiągają redukcję często poniżej 5%.

Filtry aktywne to:

• Lepsza ochrona urządzeń
• Oszczędność energii
• Redukcja awarii
• Elastyczność przy zmianach w instalacji

Kiedy stosować filtry aktywne

Eliminacja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów aktywnych jest zalecana w przypadku:

• Zmiennego charakteru obciążenia (różne falowniki, spawarki)
• Wysokich wymagań jakościowych (THDi poniżej 5%)
• Planowanej rozbudowy instalacji
• Obecności wrażliwych urządzeń elektronicznych
• Problemów z przeciążeniem przewodu neutralnego

Filtry pasywne nadal sprawdzają się przy:

• Stałych obciążeniach (piece łukowe, duże napędy)
• Ograniczonych budżetach
• Prostych instalacjach bez planów rozbudowy

Dobór odpowiedniego rozwiązania

Przed wyborem metody eliminacji wyższych harmonicznych trzeba przeprowadzić pomiary jakości energii. Analiza powinna obejmować:

• Całe spektrum wyższych harmonicznych aż do 50. rzędu
• Poziom THDi przy różnym obciążeniu
• Rozkład wyższych harmonicznych w czasie
• Asymetrię między fazami
• Obecność mocy biernej i jej charakter
• okres pomiarowy przynajmniej 1 tydzień.

Na podstawie wyników można dobrać optymalne rozwiązanie. Nowoczesne filtry aktywne są przyszłościowe – dostosowują się do zmian i chronią przed nowymi źródłami wyższych harmonicznych.

Dowiedz się, jak dobrać filtr aktywny dla Twojej instalacji – bezpłatna konsultacja z ekspertami pomoże rozwiązać problemy z wyższymi harmonicznymi. Analiza jakości energii pozwoli określić optymalne rozwiązanie i oszacować korzyści z inwestycji. Nowoczesne filtry aktywne nie tylko eliminują obecne problemy, ale również przygotowują instalację na przyszłe wyzwania.