W nowoczesnym przemyśle jakość energii elektrycznej ma bezpośredni wpływ na stabilność procesów produkcyjnych, bezpieczeństwo instalacji oraz koszty funkcjonowania przedsiębiorstwa. Coraz większa liczba falowników, serwonapędów, robotów przemysłowych, instalacji fotowoltaicznych oraz urządzeń energoelektronicznych sprawia, że utrzymanie odpowiednich parametrów zasilania staje się coraz większym wyzwaniem.

Jeszcze kilkanaście lat temu głównym problemem było zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej. Obecnie równie ważna staje się sama jakość energii. Nawet krótkotrwałe zaburzenia napięcia lub wysoki poziom harmonicznych mogą prowadzić do awarii maszyn, zatrzymania produkcji, błędów automatyki czy zwiększonego zużycia energii.

W praktyce problemy jakości energii często przez długi czas pozostają niezauważone. Objawiają się stopniowo poprzez przegrzewanie transformatorów, niestabilną pracę falowników, wyzwalanie zabezpieczeń, resetowanie sterowników PLC lub rosnące rachunki za energię elektryczną.

Czym jest jakość energii elektrycznej?

Jakość energii elektrycznej to zbiór parametrów opisujących właściwości napięcia zasilającego oraz ciągłość dostarczania energii do odbiorników.

W praktyce oznacza to stopień zgodności parametrów sieci z wymaganiami urządzeń elektrycznych i elektronicznych pracujących w zakładzie przemysłowym.

Do najważniejszych parametrów jakości energii należą:

• wartość napięcia,
• częstotliwość,
• wyższe harmoniczne,
• asymetria napięć,
• migotanie napięcia (flicker),
• zapady i wzrosty napięcia,
• współczynnik mocy,
• zawartość mocy biernej.

Im wyższa jakość energii:

• tym stabilniejsza praca urządzeń,
• mniejsze ryzyko awarii,
• wyższa efektywność energetyczna,
• oraz niższe koszty eksploatacyjne.

Dlaczego problemy jakości energii narastają?

Współczesne instalacje przemysłowe są coraz bardziej nasycone urządzeniami energoelektronicznymi. To właśnie one są głównym źródłem zakłóceń w sieci elektrycznej.

Do najczęstszych źródeł problemów należą:

• falowniki,
• serwonapędy,
• prostowniki,
• zasilacze impulsowe,
• roboty przemysłowe,
• systemy HVAC,
• instalacje fotowoltaiczne,
• ładowarki pojazdów elektrycznych,
• urządzenia spawalnicze,
• zgrzewarki,
• oświetlenie LED,
• centra danych i serwerownie.

Urządzenia te są określane jako odbiorniki nieliniowe, ponieważ pobierają prąd w sposób niesinusoidalny. W efekcie do sieci wprowadzane są zakłócenia w postaci wyższych harmonicznych oraz asymetrii obciążeń.

Rozwój automatyzacji i Przemysłu 4.0 powoduje, że nowoczesne zakłady produkcyjne stają się coraz bardziej wrażliwe nawet na niewielkie zaburzenia parametrów zasilania.

Wyższe harmoniczne – jedno z największych zagrożeń dla przemysłu

Wyższe harmoniczne to odkształcenia przebiegu prądu i napięcia względem idealnej sinusoidy.

Powstają przede wszystkim wskutek pracy urządzeń energoelektronicznych. W praktyce oznacza to, że niemal każda nowoczesna instalacja przemysłowa generuje harmoniczne.

Poziom odkształceń określają m.in. współczynniki:

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

Zbyt wysoki poziom harmonicznych może powodować:

• przegrzewanie transformatorów,
• nagrzewanie przewodów neutralnych,
• przeciążanie instalacji,
• wyzwalanie zabezpieczeń,
• zwiększone straty energii,
• zakłócenia pracy falowników,
• niestabilność automatyki,
• skrócenie żywotności urządzeń.

W nowoczesnych zakładach przemysłowych harmoniczne są obecnie jednym z najczęściej występujących problemów jakości energii.

Moc bierna i jej wpływ na koszty energii

Moc bierna jest niezbędna do pracy wielu urządzeń elektrycznych, szczególnie odbiorników indukcyjnych. Jej nadmiar powoduje jednak dodatkowe obciążenie sieci oraz generuje koszty naliczane przez dostawców energii.

W wielu przedsiębiorstwach opłaty za energię bierną stanowią znaczącą część rachunków za energię elektryczną.

Najczęstsze źródła mocy biernej:

• silniki elektryczne,
• transformatory,
• układy napędowe,
• falowniki,
• systemy HVAC,
• oświetlenie LED.

Nieprawidłowa kompensacja może prowadzić zarówno do nadmiernego poboru energii biernej indukcyjnej, jak i pojemnościowej.

Asymetria napięć i prądów

Asymetria występuje wtedy, gdy wartości napięć lub prądów pomiędzy fazami różnią się od siebie.

Problem ten może wydawać się niewielki, jednak nawet niewielka asymetria może powodować:

• przegrzewanie silników,
• zwiększone drgania napędów,
• przeciążenie jednej z faz,
• wzrost strat energii,
• niestabilną pracę falowników,
• skrócenie żywotności urządzeń.

Asymetria jest szczególnie niebezpieczna w zakładach wykorzystujących dużą liczbę silników i napędów elektrycznych.

Zapady, wzrosty i wahania napięcia

Wahania napięcia bardzo często powodują problemy z automatyką przemysłową oraz urządzeniami elektronicznymi.

Najczęstsze skutki:

• resetowanie sterowników PLC,
• zatrzymanie linii produkcyjnych,
• błędy falowników,
• awarie serwonapędów,
• utrata danych,
• błędy komunikacji przemysłowej.

W przypadku zautomatyzowanych zakładów nawet krótkotrwały zapad napięcia może oznaczać wielogodzinny przestój produkcji.

Objawy złej jakości energii elektrycznej

Problemy jakości energii często objawiają się pozornie niezwiązanymi awariami.

Najczęstsze symptomy to:

• przegrzewanie transformatorów,
• przegrzewanie silników elektrycznych,
• częste awarie falowników,
• wyzwalanie zabezpieczeń RCD i RCBO,
• błędy „overvoltage” i „undervoltage”,
• resetowanie sterowników PLC,
• niestabilna praca robotów przemysłowych,
• przegrzewanie przewodu neutralnego,
• migotanie oświetlenia LED,
• zakłócenia systemów pomiarowych,
• zwiększona awaryjność elektroniki,
• wzrost rachunków za energię,
• wydłużenie czasu cyklu produkcyjnego.

W praktyce wiele przedsiębiorstw przez długi czas nie łączy tych problemów z parametrami jakości energii elektrycznej.

Wpływ jakości energii na automatykę przemysłową

Nowoczesna automatyka przemysłowa jest szczególnie wrażliwa na zakłócenia zasilania.

Problemy jakości energii mogą prowadzić do:

• błędów pozycjonowania robotów,
• problemów z enkoderami,
• zatrzymań linii produkcyjnych,
• niestabilności procesu wtrysku,
• błędów serwonapędów,
• zakłóceń komunikacji przemysłowej,
• zwiększonego odsetka wadliwych produktów.

W przypadku robotów spawalniczych lub zgrzewarek zakłócenia mogą powodować niestabilność procesu technologicznego oraz pogorszenie jakości detali.

Jakość energii a efektywność energetyczna

Niska jakość energii oznacza nie tylko ryzyko awarii, ale również realne straty finansowe.

Wyższe harmoniczne i asymetria powodują:

• dodatkowe straty cieplne,
• przeciążanie transformatorów,
• zwiększony pobór prądu,
• spadek sprawności urządzeń,
• wyższe zużycie energii elektrycznej.

Dlatego poprawa jakości energii jest jednym z ważnych elementów zwiększania efektywności energetycznej przedsiębiorstwa.

Jak mierzyć jakość energii elektrycznej?

Podstawą diagnostyki są profesjonalne pomiary jakości energii.

Najczęściej analizowane parametry:

• THDi,
• THDu,
• współczynnik mocy,
• moc bierna,
• asymetria napięć,
• częstotliwość,
• zapady napięcia,
• migotanie napięcia.

Do pomiarów wykorzystuje się analizatory jakości energii umożliwiające monitoring parametrów w czasie rzeczywistym.

W wielu przypadkach dopiero analiza widmowa pozwala wykryć rzeczywiste źródło problemu.

Normy jakości energii elektrycznej

Najważniejszą normą dotyczącą parametrów jakościowych energii jest PN-EN 50160.

Norma określa m.in.:

• dopuszczalne odchylenia napięcia,
• poziomy asymetrii,
• dopuszczalne harmoniczne,
• parametry częstotliwości,
• wymagania dotyczące ciągłości zasilania.

W zastosowaniach przemysłowych często stosowane są również wytyczne IEEE 519 dotyczące dopuszczalnych poziomów harmonicznych.

Jak poprawić jakość energii elektrycznej?

Skuteczna poprawa jakości energii wymaga odpowiedniego doboru technologii do rodzaju problemu występującego w instalacji.

Najczęściej stosowane rozwiązania:

• filtry aktywne,
• kompensatory mocy biernej,
• kondycjonery napięcia,
• systemy monitoringu jakości energii,
• modernizacja instalacji elektrycznej,
• symetryzacja obciążeń.

W nowoczesnych instalacjach coraz częściej stosuje się rozwiązania dynamiczne, które dostosowują swoje działanie do aktualnych parametrów sieci.

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 od Elsta Elektronika

Technologia POWER QUALITY TECHNOLOGY opracowana przez Elsta Elektronika została stworzona z myślą o dynamicznej poprawie parametrów jakościowych energii elektrycznej w nowoczesnych instalacjach przemysłowych.

Filtry aktywne APF-100 oraz APF-300 umożliwiają jednoczesną:

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

Urządzenia:

• filtrują harmoniczne prądu do 50. rzędu,
• poprawiają współczynnik mocy,
• ograniczają koszty energii,
• stabilizują pracę instalacji,
• zmniejszają awaryjność urządzeń,
• współpracują z instalacjami PV,
• wspierają pracę nowoczesnych zakładów produkcyjnych.

Filtr aktywny APF-100 przeznaczony jest głównie dla instalacji o małej i średniej mocy, natomiast Filtr aktywny APF-300 dedykowany jest dużym zakładom przemysłowym wymagającym wysokiego prądu kompensacyjnego.

Więcej informacji o rozwiązaniach poprawy jakości energii elektrycznej znajduje się na stronie:
Jakość energii elektrycznej – Elsta Elektronika

Kondycjoner napięcia KN-01

W przypadku problemów związanych z asymetrią oraz wahaniami napięcia skutecznym rozwiązaniem może być kondycjoner napięcia KN-01.

Urządzenie umożliwia:

• stabilizację napięcia,
• symetryzację napięć fazowych,
• ograniczenie zmienności napięć,
• poprawę stabilności pracy instalacji,
• ograniczenie wyłączeń falowników PV.

Rozwiązanie wspiera stabilność systemu elektroenergetycznego oraz poprawia parametry jakościowe napięcia w sieciach niskiego napięcia. Jest dedykowane operatorom sieci dystrybucyjnej (OSD).

Dlaczego warto inwestować w poprawę jakości energii?

Poprawa jakości energii elektrycznej przekłada się bezpośrednio na:

• mniejszą liczbę awarii,
• większą stabilność produkcji,
• niższe koszty energii,
• wydłużenie żywotności urządzeń,
• poprawę efektywności energetycznej,
• ograniczenie przestojów,
• zwiększenie niezawodności automatyki przemysłowej.

W nowoczesnym przemyśle stabilne zasilanie jest jednym z kluczowych elementów zapewniających bezpieczeństwo procesów technologicznych.

Podsumowanie

Rosnąca liczba urządzeń energoelektronicznych powoduje, że problemy związane z jakością energii elektrycznej będą coraz częstsze.

Wyższe harmoniczne, moc bierna, asymetria napięć oraz wahania napięcia mają bezpośredni wpływ na koszty energii, niezawodność maszyn i stabilność procesów produkcyjnych.

Dlatego coraz więcej przedsiębiorstw wdraża nowoczesne rozwiązania poprawiające parametry jakościowe sieci.

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 oraz kondycjoner napięcia KN-01 od Elsta Elektronika pozwalają skutecznie ograniczać zakłócenia, poprawiać efektywność energetyczną i zwiększać niezawodność instalacji przemysłowych.

Stabilne zasilanie to dziś nie tylko komfort pracy instalacji, ale przede wszystkim bezpieczeństwo produkcji i realne oszczędności dla przedsiębiorstwa.