W nowoczesnych zakładach przemysłowych odkształcenia prądu – określane współczynnikiem THDi – stają się jednym z kluczowych parametrów determinujących stabilność i niezawodność pracy instalacji elektrycznych. Rosnąca liczba odbiorników nieliniowych, takich jak falowniki, serwonapędy, prostowniki czy zasilacze impulsowe, powoduje istotne zniekształcenia prądu, które prowadzą do przeciążeń transformatorów, wyłączania zabezpieczeń, zakłóceń sterowania oraz spadku efektywności energetycznej.

W tym opracowaniu przedstawiamy dopuszczalne wartości THDi, najczęstsze skutki przekroczeń oraz sprawdzone sposoby obniżania odkształceń – w tym zastosowanie filtrów aktywnych stosowanych w przemyśle.

Czym jest THD prądu (THDi)

Definicja THD prądu

THD prądu (THDi, Total Harmonic Distortion of current) to wskaźnik określający, w jakim stopniu przebieg prądu odbiega od idealnej sinusoidy. Oblicza się go jako stosunek wartości skutecznej wszystkich harmonicznych prądu do wartości skutecznej składowej podstawowej.

Wysoki THDi oznacza, że prąd zawiera dużą liczbę wyższych harmonicznych, które obciążają transformator, przewody i urządzenia zasilające.

Najczęstsze źródła wysokiego THDi

W przemyśle podwyższone THDi najczęściej generują:

• przemienniki częstotliwości (falowniki),
• serwonapędy,
• zasilacze impulsowe,
• urządzenia CNC,
• napędy dużej mocy,
• piece indukcyjne,
• instalacje fotowoltaiczne,
• UPS i prostowniki.

Wszystkie te urządzenia przetwarzają energię w sposób nieliniowy, co jest bezpośrednią przyczyną powstawania harmonicznych prądu.

Jakie jest dopuszczalne THD prądu

Typowe dopuszczalne wartości THDi w instalacjach przemysłowych

W praktyce przemysłowej stosuje się najczęściej następujące wartości odniesienia:

• THDi ≤ 10% – wartość zalecana w instalacjach z dużą liczbą falowników,
• THDi ≤ 5% – dla infrastruktury krytycznej: data center, laboratoria, zakłady precyzyjne,
• THDi ≤ 15–20% – wartości akceptowalne w typowych sieciach niskiego napięcia, gdy transformator jest dobrany z odpowiednim zapasem mocy.

Wartości powyżej 20–25% uznaje się za sygnał wskazujący konieczność przeprowadzenia pomiarów i korekcji jakości energii.

Skutki przekroczenia THDi w zakładzie przemysłowym

Wysoki poziom odkształceń prądu prowadzi do szeregu negatywnych skutków technicznych, ekonomicznych i eksploatacyjnych.

Przegrzewanie transformatorów i przewodów neutralnych

Wyższeharmoniczne nie wykorzystują energii efektywnie, a ich przepływ powoduje zwiększone straty cieplne w transformatorach i kablach. Szczególnie niebezpieczne są harmoniczne rzędu trzeciego i wielokrotności trzeciej (3, 9, 15), które sumują się w przewodzie neutralnym i powodują jego nadmierne nagrzewanie.

Awarie urządzeń automatyki i napędów

Wysoki THDi może powodować:

• wyzwalanie zabezpieczeń,
• błędy falowników (Overcurrent, Undervoltage, DC Bus Fault),
• resetowanie sterowników PLC,
• zakłócenia transmisji danych w sieciach przemysłowych,
• niestabilną pracę robotów i maszyn CNC.
  

Straty energii i koszty operacyjne

Wzrost odkształceń prądu zwiększa straty I²R w przewodach i transformatorach. Zwiększa to koszty energii, obniża sprawność energetyczną i wpływa na żywotność podzespołów.

Jak mierzyć THD prądu w zakładzie

Analiza widmowa prądu

Do poprawnego pomiaru odkształceń harmonicznych wymagane jest wykonanie analizy widmowej obejmującej wyższe harmoniczne najlepiej do co najmniej 50. rzędu. Tylko takie pomiary pozwalają precyzyjnie określić źródła zniekształceń.

Wymagania dla urządzeń pomiarowych

Do pomiaru THDi nie wystarczają multimetry. Niezbędne są analizatory jakości energii klasy A:

• zgodnej z PN-EN 61000-4-30,
• umożliwiającej pomiary w układach cztero- i pięcioprzewodowych,
• rejestrującej zdarzenia szybkozmienne.
  

Jak obniżyć THD prądu w instalacjach przemysłowych

Filtry aktywne

Najskuteczniejszym sposobem redukcji THDi są filtry aktywne. Urządzenia te:

• kompensują wyższe harmoniczne prądu do 50. rzędu,
• działają w czasie rzeczywistym,
• ograniczają prąd w przewodzie neutralnym,
• redukują asymetrię  obciążenia,
• jednocześnie kompensują moc bierną.
  

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 stosowane są w zakładach, gdzie:

• występuje duża liczba falowników,
• prądy mają wysoki poziom odkształceń,
• pojawiają się zakłócenia automatyki,
• transformator jest przeciążony przez wyższe harmoniczne i moc bierną,
• przewód neutralny wykazuje nadmierne nagrzewanie.

Modyfikacje instalacji

W niektórych przypadkach poprawę można uzyskać poprzez:

• odpowiedni podział sekcji zasilania,
• stosowanie dławików wejściowych dla falowników,
• skrócenie odcinków kablowych o dużej impedancji,
• przewymiarowanie transformatorów.

Podsumowanie

Dopuszczalne THD prądu (THDi) jest jednym z kluczowych parametrów jakości energii decydujących o niezawodności systemów zasilania w zakładach przemysłowych. Wzrost odkształceń prowadzi do przegrzewania przewodów, awarii urządzeń, zakłóceń pracy automatyki oraz zwiększonych kosztów energii. Skuteczne ograniczenie THDi wymaga prawidłowych pomiarów, analizy widmowej oraz zastosowania technologii, które redukują wyższe harmoniczne w czasie rzeczywistym.

Filtry aktywne stosowane w przemyśle stanowią obecnie najefektywniejszą metodę ograniczania THDi i stabilizacji pracy instalacji obciążonych odbiornikami nieliniowymi.