Asymetria obciążenia faz występuje wtedy, gdy poszczególne fazy instalacji trójfazowej są obciążone w różnym stopniu. W praktyce wartości prądów w L1, L2 i L3 mogą znacząco się od siebie różnić, mimo że całkowite obciążenie instalacji na pierwszy rzut oka nie wydaje się wysokie.
W zakładach przemysłowych problem może narastać wraz z rozbudową instalacji, zmianami w parku maszynowym oraz pracą odbiorników o zmiennym charakterze obciążenia.
Skutkiem może być nie tylko nierównomierne wykorzystanie infrastruktury elektrycznej. Asymetria może również zwiększać obciążenie jednej z faz, wpływać na prąd przewodu neutralnego i ograniczać rzeczywistą rezerwę dostępną w instalacji.
Co to jest asymetria obciążenia faz?
W idealnym układzie trójfazowym wartości prądów płynących w poszczególnych fazach powinny być do siebie zbliżone.
W rzeczywistych instalacjach pewne różnice są naturalne. Problem pojawia się wtedy, gdy jedna lub dwie fazy są stale albo okresowo znacznie bardziej obciążone od pozostałych.
Przykładowo:
- L1 – 210 A,
- L2 – 145 A,
- L3 – 95 A.
Całkowita moc instalacji może jeszcze pozostawać w dopuszczalnym zakresie, ale faza L1 pracuje już znacznie bliżej swojej granicy niż pozostałe.
To właśnie jeden z powodów, dla których przy ocenie instalacji nie należy analizować wyłącznie łącznej mocy.
Asymetria obciążenia faz a nierównomierne obciążenie faz – czy to to samo?
Określenia „asymetria obciążenia faz” i „nierównomierne obciążenie faz” są w praktyce często stosowane zamiennie, choć nie oznaczają dokładnie tego samego. Nierównomierne obciążenie faz opisuje sytuację, w której odbiorniki są obciążone w różnym stopniu, natomiast asymetria odnosi się do występującej w instalacji nierównowagi parametrów elektrycznych, np. prądów lub napięć poszczególnych faz.
W diagnostyce instalacji warto więc sprawdzić różnice między prądami L1, L2 i L3 oraz ich zmienność w czasie. Istotne jest również ustalenie, czy nierównomierność obciążenia powoduje istotną asymetrię prądów, która może wpływać na pracę transformatorów, silników i innych urządzeń trójfazowych.
Jak powstaje asymetria obciążenia faz?
Przyczyn może być wiele.
Nierównomierne rozmieszczenie odbiorników jednofazowych
Jeżeli duża liczba odbiorników została przyłączona do jednej fazy, może ona być znacznie bardziej obciążona.
Problem często pojawia się stopniowo. Kolejne urządzenia są dołączane do istniejącej instalacji, ale nikt nie analizuje ponownie całego rozkładu obciążeń.
Rozbudowa zakładu
Instalacja zaprojektowana kilka lub kilkanaście lat wcześniej może dziś zasilać zupełnie inny park maszynowy.
W międzyczasie mogą pojawić się:
- nowe linie produkcyjne,
- dodatkowe stanowiska,
- automatyka,
- urządzenia jednofazowe,
- nowe rozdzielnice,
- zmienione obwody zasilające.
Każda taka modyfikacja może wpływać na rozkład obciążenia faz.
Zmienna praca maszyn
W zakładzie produkcyjnym obciążenie nie jest stałe.
Poszczególne urządzenia:
- uruchamiają się,
- zatrzymują,
- przechodzą między trybami pracy,
- zmieniają pobór energii wraz z procesem technologicznym.
W rezultacie asymetria może pojawiać się tylko w określonych momentach produkcji.
Dlatego pojedynczy pomiar nie zawsze wystarczy do wykrycia problemu.
Jakie skutki może powodować asymetria obciążenia faz?
Przeciążenie jednej fazy
Najbardziej oczywistym skutkiem jest sytuacja, w której jedna faza zbliża się do swojego dopuszczalnego obciążenia, podczas gdy pozostałe nadal mają znaczną rezerwę.
Może to prowadzić do błędnego wniosku, że cała instalacja wymaga zwiększenia mocy.
W rzeczywistości częścią problemu może być właśnie nierównomierny rozkład obciążenia.
Ograniczenie dostępnej rezerwy mocy
Załóżmy, że instalacja teoretycznie ma jeszcze znaczną rezerwę.
Jeżeli jednak jedna faza jest już silnie obciążona, nie można swobodnie przyłączyć kolejnego odbiornika, mimo że pozostałe fazy są wykorzystywane w mniejszym stopniu.
Asymetria może więc ograniczać możliwość rozbudowy instalacji.
Wzrost prądu w przewodzie neutralnym
W sieciach czteroprzewodowych nierównomierne obciążenie faz może powodować przepływ prądu w przewodzie neutralnym.
W instalacjach z dużą liczbą odbiorników nieliniowych sytuacja może być dodatkowo związana z obecnością wyższych harmonicznych.
Filtry aktywne APF-100 i APF-300 Elsta Elektronika realizują symetryzację prądów fazowych wraz z redukcją prądu przewodu neutralnego.
Asymetria obciążenia faz a asymetria napięcia
To nie są dokładnie te same zjawiska.
Asymetria obciążenia faz dotyczy przede wszystkim różnic pomiędzy wartościami prądów pobieranych w L1, L2 i L3.
Asymetria napięć dotyczy natomiast różnic parametrów napięcia poszczególnych faz.
Zjawiska mogą być ze sobą powiązane, ale wymagają oddzielnej analizy.
Dlatego podczas diagnostyki warto jednocześnie monitorować:
- napięcie L1, L2 i L3,
- prąd L1, L2 i L3,
- prąd przewodu neutralnego,
- moc czynną,
- moc bierną,
- moc pozorną,
- współczynnik mocy,
- THDi,
- THDu.
Jak zmierzyć asymetrię obciążenia faz?
Najprostszym krokiem jest porównanie wartości prądów w każdej z faz.
W przypadku instalacji przemysłowej znacznie większą wartość daje jednak rejestracja parametrów przez dłuższy czas.
Pozwala to sprawdzić, czy asymetria:
- występuje stale,
- pojawia się tylko podczas określonych zmian,
- rośnie podczas uruchamiania konkretnej linii,
- zmienia się wraz z cyklem produkcyjnym,
- występuje tylko w wybranych godzinach.
Takie dane są znacznie bardziej użyteczne niż pojedynczy pomiar wykonany przy przypadkowym stanie produkcji.
Czy przepięcie odbiorników między fazami wystarczy?
W prostych instalacjach może to być skuteczne rozwiązanie.
Jeżeli źródłem asymetrii są np. odbiorniki jednofazowe, które zostały niekorzystnie rozdzielone pomiędzy fazami, można poprawić sytuację poprzez zmianę ich przyłączenia.
Problem pojawia się jednak wtedy, gdy obciążenie jest dynamiczne.
Po ręcznym zbilansowaniu instalacji podczas jednego stanu produkcji może się okazać, że po zmianie konfiguracji pracujących maszyn asymetria ponownie wzrasta.
Wtedy potrzebne jest rozwiązanie reagujące na bieżące warunki pracy.
Dynamiczna symetryzacja prądów
Filtry aktywne APF-100 i APF-300 Elsta Elektronika mierzą parametry sieci w czasie rzeczywistym i wytwarzają odpowiedni prąd kompensacyjny.
Jedną z realizowanych funkcji jest symetryzacja prądów fazowych.
Oznacza to możliwość dynamicznego ograniczania różnic pomiędzy obciążeniem faz widzianych od strony sieci.
Rozwiązanie jest szczególnie interesujące w instalacjach, w których rozkład obciążenia często się zmienia i nie można skutecznie rozwiązać problemu poprzez jednorazowe przepięcie odbiorników.
Asymetria często nie występuje sama
W instalacji przemysłowej równocześnie mogą występować:
- asymetria obciążenia,
- wyższe harmoniczne,
- moc bierna indukcyjna,
- moc bierna pojemnościowa,
- podwyższony prąd przewodu neutralnego.
Dlatego analiza wyłącznie jednego parametru może nie pokazać pełnego obrazu instalacji.
Filtry aktywne APF-100 i APF-300 mogą jednocześnie realizować:
- symetryzację prądów fazowych,
- filtrację wyższych harmonicznych prądu,
- kompensację mocy biernej,
- redukcję prądu przewodu neutralnego.
Pozwala to reagować na kilka zaburzeń z wykorzystaniem jednego rozwiązania Power Quality.
Gdzie problem asymetrii obciążenia pojawia się szczególnie często?
Warto zwrócić na niego uwagę m.in. w:
- zakładach produkcyjnych,
- instalacjach wielokrotnie rozbudowywanych,
- obiektach z dużą liczbą odbiorników jednofazowych,
- zakładach o zmiennym profilu produkcji,
- rozdzielnicach z wieloma różnymi grupami odbiorników,
- obiektach, w których planowane jest przyłączenie nowych maszyn.
Szczególnie istotny jest ostatni przypadek.
Przed zwiększeniem mocy przyłączeniowej lub wymianą transformatora warto sprawdzić, czy ograniczeniem rzeczywiście jest całkowita moc instalacji, czy przede wszystkim jedna nadmiernie obciążona faza.
APF-100 i APF-300 a symetryzacja obciążenia
APF-100 przeznaczony jest do pracy w czteroprzewodowych sieciach niskiego napięcia i może realizować filtrację harmonicznych prądu, kompensację mocy biernej oraz symetryzację prądów.
APF-300 przeznaczony jest dla większych aplikacji przemysłowych. W zależności od wersji oferuje prąd kompensacyjny do 400 A oraz możliwość pracy równoległej urządzeń.
Dobór rozwiązania powinien jednak wynikać z rzeczywistych pomiarów instalacji, a nie tylko z wartości mocy znamionowej transformatora czy zakładu.
Kiedy warto wykonać analizę jakości energii?
Sygnałem do wykonania pomiarów mogą być sytuacje, w których:
- jedna faza regularnie pobiera znacznie większy prąd,
- występuje duży prąd w przewodzie neutralnym,
- infrastruktura wydaje się przeciążona mimo dostępnej mocy,
- planowana jest rozbudowa parku maszynowego,
- transformator lub przewody pracują w niekorzystnych warunkach,
- wraz z asymetrią występują harmoniczne lub moc bierna.
Pomiar pozwala określić skalę zjawiska i sprawdzić, czy problem ma charakter stały czy dynamiczny.
Asymetria obciążenia faz – nie zawsze potrzebujesz większej instalacji
Jeżeli jedna faza jest mocno obciążona, a pozostałe mają znaczną rezerwę, problem nie zawsze oznacza konieczność zwiększenia mocy całego układu.
W pierwszej kolejności warto sprawdzić rzeczywisty rozkład prądów w L1, L2 i L3.
W prostych przypadkach wystarczy zmiana rozłożenia odbiorników. W bardziej wymagających instalacjach przemysłowych o dynamicznym profilu obciążenia zastosowanie może znaleźć aktywna symetryzacja prądów.
Elsta Elektronika projektuje i produkuje rozwiązania Power Quality umożliwiające m.in. symetryzację prądów fazowych, filtrację wyższych harmonicznych prądu oraz kompensację mocy biernej.
Jeżeli w Twoim zakładzie występuje asymetria obciążenia faz, warto rozpocząć od pomiarów i określenia rzeczywistego źródła problemu.
