Harmoniczne prądu i napięcia są jednym z najczęstszych zaburzeń występujących w nowoczesnych instalacjach przemysłowych. Ich obecność wiąże się przede wszystkim z rosnącą liczbą odbiorników nieliniowych, takich jak falowniki, serwonapędy, prostowniki, zasilacze impulsowe, systemy UPS, spawarki czy urządzenia sterowane elektronicznie.

Sama obecność harmonicznych nie oznacza jeszcze nieprawidłowej pracy instalacji. Problem pojawia się wtedy, gdy poziom odkształceń prowadzi do zwiększonych strat, przegrzewania elementów, przeciążenia przewodu neutralnego, nieprawidłowego działania zabezpieczeń lub zakłóceń w pracy automatyki.

Aby właściwie ocenić sytuację, należy rozróżnić harmoniczne prądu od harmonicznych napięcia. Choć zjawiska te są ze sobą powiązane, nie są tym samym i wymagają innej interpretacji.

Czym są harmoniczne?

W idealnych warunkach napięcie i prąd w sieci elektroenergetycznej mają przebieg sinusoidalny o częstotliwości podstawowej 50 Hz.

W rzeczywistej instalacji przebieg może być odkształcony. Matematycznie można przedstawić go jako sumę:

• składowej podstawowej o częstotliwości 50 Hz,
• harmonicznych o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej.

Przykładowo:

• druga harmoniczna ma częstotliwość 100 Hz,
• trzecia harmoniczna – 150 Hz,
• piąta harmoniczna – 250 Hz,
• siódma harmoniczna – 350 Hz.

Im większy udział wyższych harmonicznych, tym bardziej rzeczywisty przebieg odbiega od sinusoidy.

W instalacjach trójfazowych szczególne znaczenie mają między innymi harmoniczne:

• trzeciego rzędu i ich wielokrotności,
• piątego rzędu,
• siódmego rzędu,
• jedenastego i trzynastego rzędu.

Ich poziom oraz znaczenie zależą od rodzaju odbiorników, topologii przekształtników, charakteru obciążenia i parametrów sieci.

Harmoniczne prądu a harmoniczne napięcia

Harmoniczne prądu powstają przede wszystkim wskutek pracy odbiorników nieliniowych. Urządzenia te nie pobierają prądu proporcjonalnie do chwilowej wartości napięcia, lecz w określonych fragmentach okresu.

W rezultacie przebieg prądu jest odkształcony.

Harmoniczne napięcia są natomiast w dużej mierze efektem przepływu odkształconego prądu przez impedancję instalacji. Im większa impedancja sieci i większy poziom harmonicznych prądu, tym większe może być odkształcenie napięcia w danym punkcie.

W uproszczeniu można przyjąć:

• odbiornik nieliniowy generuje harmoniczne prądu,
• harmoniczne prądu przepływają przez przewody, transformator i inne elementy instalacji,
• na impedancji instalacji powstają dodatkowe spadki napięcia,
• napięcie w punkcie zasilania może ulec odkształceniu.

Dlatego wysoki poziom THDi nie zawsze oznacza wysoki THDu. W instalacji o małej impedancji napięcie może pozostać stosunkowo stabilne mimo silnie odkształconego prądu. Z kolei w słabszej sieci ten sam odbiornik może powodować wyraźne odkształcenie napięcia.

Czym jest THD?

Do oceny odkształcenia przebiegu stosuje się współczynnik THD, czyli całkowite zniekształcenie harmoniczne.

Najczęściej analizuje się:

• THDi – całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu,
• THDu lub THD – całkowite zniekształcenie harmoniczne napięcia.

Wskaźnik ten przedstawia udział wyższych harmonicznych względem składowej podstawowej.

Wartość THD jest użyteczna, ale nie powinna być interpretowana w oderwaniu od:

• wartości skutecznej prądu lub napięcia,
• widma poszczególnych harmonicznych,
• poziomu obciążenia,
• czasu trwania pomiaru,
• miejsca wykonania pomiaru,
• warunków pracy instalacji.

Przykładowo wysoki THDi przy bardzo małym prądzie obciążenia może mieć mniejsze znaczenie energetyczne niż umiarkowany THDi przy dużym obciążeniu transformatora.

THDi a TDD – dlaczego samo THDi może nie wystarczyć?

THDi jest obliczane w odniesieniu do aktualnej składowej podstawowej prądu. Oznacza to, że przy małym obciążeniu jego wartość procentowa może znacząco wzrosnąć.

Z tego powodu w ocenie instalacji wykorzystuje się również wskaźniki odnoszące poziom harmonicznych do ustalonej wartości prądu obciążenia lub zapotrzebowania.

Ma to znaczenie szczególnie wtedy, gdy:

• instalacja pracuje ze zmiennym obciążeniem,
• pomiar wykonano poza szczytem produkcyjnym,
• odbiornik okresowo przechodzi w tryb jałowy,
• porównuje się kilka punktów instalacji,
• dobierane jest urządzenie kompensacyjne.

W praktyce nie należy podejmować decyzji technicznych wyłącznie na podstawie jednej wartości procentowej widocznej na analizatorze.

Jakie urządzenia generują harmoniczne prądu?

Głównym źródłem harmonicznych są odbiorniki nieliniowe oraz urządzenia energoelektroniczne.

Należą do nich między innymi:

• przemienniki częstotliwości,
• serwonapędy,
• prostowniki,
• zasilacze impulsowe,
• systemy UPS,
• ładowarki akumulatorów,
• spawarki i zgrzewarki,
• urządzenia indukcyjne,
• regulatory mocy,
• oświetlenie LED,
• komputery i serwery,
• instalacje fotowoltaiczne,
• magazyny energii,
• ładowarki pojazdów elektrycznych,
• urządzenia z wejściowymi układami prostownikowymi.

Poziom generowanych harmonicznych zależy od konstrukcji urządzenia, sposobu sterowania oraz aktualnego obciążenia.

Falowniki a harmoniczne

Falowniki są jednym z najczęściej spotykanych źródeł harmonicznych w przemyśle.

Typowy układ wejściowy przemiennika częstotliwości zawiera prostownik oraz obwód pośredni napięcia stałego. Prąd jest pobierany z sieci impulsowo, głównie w momentach, gdy napięcie sieciowe umożliwia ładowanie kondensatorów DC-link.

W efekcie przebieg prądu może zawierać znaczący udział harmonicznych, szczególnie piątej i siódmej.

Na poziom odkształceń wpływają między innymi:

• liczba falowników,
• ich moc,
• sposób jednoczesnej pracy,
• stopień obciążenia,
• zastosowane dławiki,
• konstrukcja układu prostownikowego,
• impedancja transformatora i przewodów,
• obecność innych odbiorników nieliniowych.

Pojedynczy falownik nie musi powodować istotnego problemu. Skumulowany wpływ kilkudziesięciu przemienników w jednej rozdzielnicy może być jednak znaczący.

Harmoniczne trzeciego rzędu i przewód neutralny

W instalacjach czteroprzewodowych szczególną uwagę należy zwrócić na harmoniczne trzeciego rzędu oraz ich nieparzyste wielokrotności.

W przypadku składowej podstawowej prądy fazowe są przesunięte względem siebie i przy symetrycznym obciążeniu w znacznym stopniu się równoważą.

Harmoniczne trzeciego rzędu w poszczególnych fazach mogą mieć natomiast zgodną fazę. W przewodzie neutralnym nie znoszą się, lecz sumują.

Może to powodować:

• wysoki prąd przewodu neutralnego,
• przegrzewanie przewodu N,
• nagrzewanie zacisków,
• dodatkowe straty,
• ryzyko uszkodzenia izolacji,
• przeciążenie elementów, które pierwotnie nie były dobierane na taki poziom prądu.

Problem może występować między innymi w obiektach z dużą liczbą:

• zasilaczy impulsowych,
• urządzeń komputerowych,
• oświetlenia LED,
• odbiorników jednofazowych,
• urządzeń elektronicznych.

Jak harmoniczne wpływają na transformator?

Wyższe harmoniczne powodują dodatkowe straty w transformatorach.

Mogą zwiększać:

• straty w uzwojeniach,
• straty od prądów wirowych,
• temperaturę pracy,
• obciążenie cieplne izolacji,
• hałas i drgania,
• spadki napięcia,
• ryzyko przedwczesnego starzenia.

Transformator zasilający dużą liczbę odbiorników nieliniowych może nagrzewać się bardziej niż wynikałoby to z samej wartości mocy czynnej.

W praktyce może to oznaczać, że dostępna rezerwa mocy jest mniejsza, niż sugeruje moc znamionowa transformatora.

Dlatego przed decyzją o wymianie lub rozbudowie transformatora warto sprawdzić:

• rzeczywisty profil obciążenia,
• zawartość harmonicznych,
• temperaturę pracy,
• asymetrię prądów,
• poziom mocy biernej,
• straty w instalacji.

Jak harmoniczne wpływają na przewody?

Odkształcony prąd zwiększa wartość skuteczną prądu płynącego w instalacji.

Może to powodować:

• dodatkowe straty cieplne,
• wzrost temperatury przewodów,
• większe spadki napięcia,
• przeciążenie przewodu neutralnego,
• nagrzewanie połączeń i szyn,
• szybsze starzenie izolacji.

W przewodach o większych przekrojach oraz przy wyższych częstotliwościach dodatkowe znaczenie mogą mieć zjawiska związane z nierównomiernym rozkładem prądu.

Nie każde grzanie przewodu wynika jednak z harmonicznych. Należy również sprawdzić:

• przekrój przewodu,
• poziom obciążenia,
• jakość połączeń,
• stan zacisków,
• temperaturę otoczenia,
• sposób prowadzenia przewodów,
• zabezpieczenia,
• asymetrię faz.

Wpływ harmonicznych na baterie kondensatorów

Kondensatory stosowane do kompensacji mocy biernej mają impedancję malejącą wraz ze wzrostem częstotliwości.

Oznacza to, że mogą być bardziej obciążone przez prądy harmoniczne niż przez składową podstawową.

Możliwe skutki to:

• wzrost prądu kondensatorów,
• przegrzewanie,
• przeciążenie styczników,
• przepalanie bezpieczników,
• przyspieszone starzenie,
• uszkodzenie stopni baterii,
• wystąpienie rezonansu.

Szczególnie niebezpieczna jest sytuacja, w której pojemność baterii oraz indukcyjność sieci tworzą warunki sprzyjające wzmocnieniu wybranej harmonicznej.

Dlatego w instalacjach o podwyższonym poziomie harmonicznych tradycyjna bateria kondensatorów nie powinna być dobierana bez wcześniejszej analizy.

Rezonans harmoniczny

Rezonans może wystąpić wtedy, gdy częstotliwość własna układu utworzonego przez elementy indukcyjne i pojemnościowe zbliży się do częstotliwości jednej z obecnych harmonicznych.

Skutkiem może być znaczne zwiększenie:

• prądu harmonicznego,
• napięcia harmonicznego,
• obciążenia kondensatorów,
• temperatury elementów,
• ryzyka uszkodzenia urządzeń.

Objawy rezonansu bywają trudne do jednoznacznego rozpoznania bez pomiarów. Mogą obejmować powtarzające się uszkodzenia kondensatorów, przepalanie bezpieczników, przegrzewanie dławików lub niestabilną pracę instalacji.

Wpływ harmonicznych na silniki

Harmoniczne napięcia mogą powodować powstawanie dodatkowych składowych pola magnetycznego w silniku.

Możliwe skutki obejmują:

• dodatkowe straty,
• wzrost temperatury,
• pulsacje momentu,
• drgania,
• hałas,
• zmniejszenie sprawności,
• skrócenie żywotności izolacji.

Wpływ zależy od widma harmonicznych, konstrukcji silnika, sposobu zasilania i obciążenia.

W przypadku silników zasilanych z falownika trzeba dodatkowo rozróżnić jakość napięcia po stronie wejściowej przemiennika od przebiegu PWM na jego wyjściu. Są to odrębne zagadnienia techniczne.

Wpływ harmonicznych na automatykę przemysłową

Podwyższony poziom zakłóceń może pośrednio wpływać na pracę:

• sterowników PLC,
• paneli HMI,
• czujników,
• enkoderów,
• systemów komunikacji,
• urządzeń pomiarowych,
• zabezpieczeń elektronicznych.

Problemy mogą wynikać nie tylko z samych harmonicznych, ale również z:

• zapadów napięcia,
• przepięć,
• zakłóceń przewodzonych,
• błędów uziemienia,
• sprzężeń elektromagnetycznych,
• niewłaściwego prowadzenia przewodów,
• zakłóceń wysokoczęstotliwościowych.

Z tego powodu diagnostyka powinna obejmować zarówno jakość energii, jak i zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej.

Najczęstsze objawy problemów z harmonicznymi

Do sygnałów, które mogą uzasadniać wykonanie pomiarów, należą:

• nadmierne nagrzewanie transformatora,
• grzanie się przewodów mimo pozornie prawidłowego obciążenia,
• wysoki prąd w przewodzie neutralnym,
• częste uszkodzenia kondensatorów,
• przepalanie bezpieczników baterii kompensacyjnej,
• wyzwalanie zabezpieczeń,
• nietypowy hałas transformatora,
• spadek dostępnej mocy instalacji,
• błędy i resety urządzeń elektronicznych,
• nierównomierne obciążenie faz,
• powtarzające się awarie falowników,
• problemy po uruchomieniu nowych odbiorników energoelektronicznych.

Żaden z tych objawów samodzielnie nie potwierdza występowania nadmiernych harmonicznych. Jest jednak podstawą do wykonania odpowiedniej diagnostyki.

Jak mierzyć harmoniczne prądu i napięcia?

Pomiary powinny być wykonywane za pomocą analizatora jakości energii, który umożliwia rejestrację:

• napięć fazowych,
• prądów fazowych,
• THDi,
• THDu,
• widma poszczególnych harmonicznych,
• mocy czynnej, biernej i pozornej,
• współczynnika mocy,
• asymetrii,
• zapadów i wzrostów napięcia,
• zdarzeń krótkotrwałych.

Pomiar należy zaplanować tak, aby obejmował:

• normalną produkcję,
• okres maksymalnego obciążenia,
• rozruchy maszyn,
• zmianę trybów pracy,
• pracę kilku odbiorników jednocześnie,
• zdarzenia, podczas których występują problemy.

Jednorazowy odczyt wykonany przy niepełnym obciążeniu może nie być reprezentatywny.

Gdzie wykonać pomiar?

Miejsce pomiaru zależy od celu analizy.

Możliwe punkty to:

• przyłącze główne zakładu,
• strona wtórna transformatora,
• rozdzielnica główna,
• określona sekcja rozdzielnicy,
• odpływ zasilający linię produkcyjną,
• przyłącze grupy falowników,
• pojedynczy odbiornik.

Pomiar w punkcie wspólnego przyłączenia pozwala ocenić wpływ całej instalacji. Pomiar lokalny pomaga zidentyfikować źródło zakłóceń.

W bardziej złożonych instalacjach konieczne może być porównanie kilku punktów jednocześnie.

Jak znaleźć źródło harmonicznych?

Identyfikacja źródła powinna opierać się na:

1. analizie schematu instalacji,
2. inwentaryzacji odbiorników nieliniowych,
3. pomiarze w punkcie głównym,
4. pomiarach na poszczególnych odpływach,
5. porównaniu widma podczas załączania i wyłączania odbiorników,
6. analizie zmian w cyklu produkcyjnym.

Pomocne może być sprawdzenie, czy poziom określonych harmonicznych rośnie po uruchomieniu konkretnej grupy urządzeń.

W zakładach o zmiennej produkcji analiza powinna uwzględniać nie tylko maksymalny poziom harmonicznych, ale także czas jego występowania.

Jak ograniczać harmoniczne?

Metoda redukcji powinna zostać dobrana do źródła, widma, mocy i charakteru obciążenia.

Stosowane rozwiązania obejmują między innymi:

• dławiki sieciowe,
• dławiki DC w falownikach,
• filtry pasywne,
• filtry aktywne,
• układy wielopulsowe,
• transformatory o odpowiedniej konfiguracji,
• odbiorniki z aktywną korekcją współczynnika mocy,
• zmianę struktury zasilania,
• rozdzielenie grup odbiorników,
• zwiększenie mocy zwarciowej w określonym punkcie.

Nie istnieje jedno uniwersalne rozwiązanie dla każdej instalacji.

Filtry pasywne a filtry aktywne

Filtr pasywny wykorzystuje elementy indukcyjne i pojemnościowe dostrojone do określonych częstotliwości.

Może być skuteczny w instalacji o stabilnym charakterze obciążenia, ale wymaga właściwego projektu i uwzględnienia ryzyka rezonansu.

Filtr aktywny działa dynamicznie. Mierzy parametry instalacji i generuje prąd kompensacyjny o przebiegu przeciwnym do wybranych składowych zakłócających.

W zależności od konstrukcji i konfiguracji może realizować:

• redukcję harmonicznych prądu,
• kompensację mocy biernej,
• symetryzację prądów fazowych,
• ograniczenie prądu przewodu neutralnego.

Zaletą rozwiązania aktywnego jest możliwość dostosowania się do zmiennego obciążenia.

Czy filtr aktywny redukuje harmoniczne napięcia?

Filtr aktywny jest przede wszystkim urządzeniem kompensującym harmoniczne prądu.

Ograniczenie przepływu harmonicznych prądu przez impedancję instalacji może pośrednio zmniejszyć odkształcenie napięcia w danym punkcie.

Efekt zależy jednak od:

• źródła harmonicznych napięcia,
• impedancji sieci,
• lokalizacji filtra,
• miejsca pomiaru,
• poziomu odkształceń pochodzących z zewnętrznej sieci,
• konfiguracji instalacji.

Jeżeli harmoniczne napięcia pochodzą głównie z sieci zasilającej, zastosowanie filtra po stronie odbiorcy nie musi całkowicie usunąć problemu.

Dlatego nie należy utożsamiać filtracji harmonicznych prądu z bezwarunkową eliminacją wszystkich harmonicznych napięcia.

Kiedy zastosowanie filtra aktywnego ma uzasadnienie?

Filtr aktywny może być właściwym rozwiązaniem, gdy:

• w instalacji pracuje wiele odbiorników nieliniowych,
• obciążenie zmienia się dynamicznie,
• występuje podwyższony poziom harmonicznych prądu,
• potrzebna jest jednoczesna kompensacja mocy biernej,
• występuje asymetria prądów,
• przewód neutralny jest nadmiernie obciążony,
• tradycyjna bateria kondensatorów jest narażona na harmoniczne,
• instalacja wymaga elastycznej konfiguracji,
• planowana jest dalsza rozbudowa zakładu.

Dobór urządzenia powinien uwzględniać rzeczywiste prądy harmoniczne, a nie wyłącznie moc znamionową odbiorników.

Więcej informacji o technologiach filtracji harmonicznych, kompensacji mocy biernej i symetryzacji prądów znajduje się w opisie rozwiązań do kondycjonowania energii elektrycznej.

Jak dobrać rozwiązanie do redukcji harmonicznych?

Proces doboru powinien obejmować:

1. wykonanie pomiarów jakości energii,
2. określenie widma harmonicznych,
3. wskazanie głównych źródeł,
4. analizę impedancji i struktury instalacji,
5. ocenę zmienności obciążenia,
6. sprawdzenie istniejącej kompensacji mocy biernej,
7. wybór miejsca instalacji rozwiązania,
8. określenie wymaganego prądu kompensacyjnego,
9. ocenę możliwości przyszłej rozbudowy.

Rozwiązanie może mieć charakter:

• centralny – przy rozdzielnicy głównej,
• sekcyjny – dla wybranej części zakładu,
• lokalny – przy konkretnej grupie odbiorników.

Wybór zależy od rozmieszczenia źródeł zakłóceń oraz celu inwestycji.

Harmoniczne prądu i napięcia – podsumowanie

Harmoniczne są naturalnym skutkiem pracy wielu współczesnych odbiorników energoelektronicznych. Ich występowanie nie zawsze oznacza problem, ale podwyższony poziom może zwiększać straty, temperaturę i obciążenie elementów instalacji.

Najważniejsze jest rozróżnienie:

• harmonicznych prądu generowanych przez odbiorniki nieliniowe,
• harmonicznych napięcia związanych między innymi z przepływem odkształconego prądu przez impedancję sieci.

Ocena instalacji nie powinna opierać się wyłącznie na jednym wskaźniku THD. Konieczna jest analiza:

• wartości skutecznych,
• widma harmonicznych,
• obciążenia,
• miejsca pomiaru,
• czasu występowania,
• parametrów całej instalacji.

Dopiero pomiary pozwalają określić, czy wymagane są zmiany organizacyjne, modernizacja zasilania, zastosowanie dławików, filtrów pasywnych lub aktywnych.

FAQ – najczęstsze pytania o harmoniczne

Co to są harmoniczne prądu?

Harmoniczne prądu to składowe prądu o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Powstają głównie w wyniku pracy odbiorników nieliniowych.

Co to są harmoniczne napięcia?

Harmoniczne napięcia to składowe odkształcające przebieg napięcia. Mogą powstawać wskutek przepływu harmonicznych prądu przez impedancję sieci lub być obecne już w napięciu dostarczanym do instalacji.

Czym różni się THDi od THDu?

THDi opisuje całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu, a THDu – napięcia. Wysoki THDi nie musi automatycznie oznaczać wysokiego THDu.

Czy falowniki generują harmoniczne?

Tak. Ich wejściowe układy prostownikowe pobierają prąd w sposób nieliniowy. Poziom harmonicznych zależy od konstrukcji urządzenia, obciążenia i zastosowanych elementów ograniczających.

Czy harmoniczne powodują grzanie przewodów?

Mogą zwiększać wartość skuteczną prądu i powodować dodatkowe straty. Szczególnym przypadkiem jest sumowanie harmonicznych trzeciego rzędu w przewodzie neutralnym.

Czy harmoniczne mogą uszkodzić transformator?

Mogą zwiększać jego straty i temperaturę oraz przyspieszać starzenie izolacji. Rzeczywisty wpływ należy określić na podstawie pomiarów i obciążenia.

Czy bateria kondensatorów usuwa harmoniczne?

Standardowa bateria kondensatorów nie służy do filtracji harmonicznych. W niektórych warunkach może zostać przez nie przeciążona lub uczestniczyć w rezonansie.

Czy filtr aktywny usuwa harmoniczne?

Filtr aktywny może dynamicznie redukować harmoniczne prądu w zakresie swojej mocy i konfiguracji. Jego skuteczność zależy od prawidłowego doboru, miejsca montażu i charakteru instalacji.

Jak długo powinien trwać pomiar harmonicznych?

Pomiar powinien objąć reprezentatywny cykl pracy zakładu, w tym okresy maksymalnego obciążenia, rozruchy i zmiany produkcji. W wielu przypadkach potrzebna jest rejestracja wielodniowa.

Gdzie mierzyć harmoniczne?

Punkt pomiaru zależy od celu. Analizę można wykonać przy transformatorze, w rozdzielnicy głównej, na odpływie linii lub przy konkretnym odbiorniku.