W wielu zakładach przemysłowych kompensacja mocy biernej kojarzy się wyłącznie z mało zaawansowanym, tradycyjnym urządzeniem kompensującym. To rozwiązanie znane i proste, ale w większości przypadków mało skuteczne. W dobie powszechnych odbiorników nieliniowych – falowników, UPS-ów, zasilaczy impulsowych – okazuje się niewystarczające.
Filtry aktywne, takie jak modele APF-100 i APF-300 z oferty Elsta Elektronika, oferują znacznie więcej: dynamiczną kompensację mocy biernej o charakterze indukcyjnym i pojemnościowym, eliminację wyższych harmonicznych prądu, poprawę współczynnika mocy nawet przy zmiennym obciążeniu, a także symetryzację prądów fazowych. W tym artykule wyjaśniamy, kiedy klasyczna kompensacja przestaje działać i kiedy warto przejść na filtr aktywny.
Dlaczego kompensujemy moc bierną?
Moc bierna nie wykonuje pracy, ale obciąża sieć i generuje koszty. Jej nadmiar powoduje:
- spadki lub wzrosty napięcia i przeciążenia transformatorów,
- wzrost strat cieplnych w przewodach,
- obniżenie sprawności systemu zasilania,
- opłaty karne naliczane przez OSD, jeśli współczynnik mocy wzrośnie powyżej ustalonego progu tgφ (np. 0,4) dla poboru energii biernej indukcyjnej,
- opłaty karne naliczane przez OSD za każdą kilovarogodzinę energii biernej pojemnościowej wprowadzonej do sieci.
Dlatego stosuje się kompensację – czyli wprowadzenie do sieci elementu, który wytwarza przeciwną składową mocy biernej i tym samym ją redukuje.
Klasyczna kompensacja mocy biernej indukcyjnej – jak działa i kiedy wystarcza?
Tradycyjne rozwiązanie kompensacyjne to układ pasywnej kompensacji mocy biernej o charakterze indukcyjnym. W klasycznym układzie z obciążeniem liniowym (np. silnikami) taka kompensacja może być wystarczająca. System kompensacyjny, często z przełączanymi sekcjami, wprowadza pojemność do obwodu, co poprawia współczynnik mocy tgφ.
Ograniczenia tradycyjnego rozwiązania:
- Nie kompensuje mocy biernej pojemnościowej (np. z UPS-ów).
- Nie radzi sobie z obciążeniami nieliniowymi – nie eliminuje wyższych harmonicznych.
- Nie działa dynamicznie – reaguje powoli na zmiany obciążenia.
- W obecności wyższych harmonicznych może nawet pogarszać sytuację (ryzyko rezonansu z siecią).
- Istnieje znaczne ryzyko przekompensowania tj. wprowadzenia do sieci zbyt dużej ilości energii biernej pojemnościowej.
- W sieciach, gdzie dominuje elektronika mocy, takie rozwiązanie po prostu nie wystarcza.
Filtr aktywny – jak działa i co potrafi więcej?
Filtr aktywny – np. APF-100/50/4w/E – to urządzenie oparte na szybkich tranzystorach SIC, które analizuje prądy i napięcia w czasie rzeczywistym. Na podstawie tej analizy generuje prąd kompensacyjny, który:
- redukuje moc bierną (indukcyjną i pojemnościową),
- filtruje wyższe harmoniczne prądu (THDi),
- symetryzuje prądy fazowe.
- redukuje prąd w przewodzie neutralnym.
Dzięki temu poprawia całościowo jakość energii w sieci i pozwala wypełnić obowiązek ograniczenia strat energii, opisany w Ustawie z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej. Urządzenie kompensuje zakłócenia niezależnie od źródła — może współpracować z falownikami, UPS-ami, oświetleniem LED, zasilaczami impulsowymi i innymi urządzeniami.
Kiedy tradycyjne rozwiązanie to za mało?
Typowe przypadki:
- Występuje obciążenie nieliniowe – np. falowniki zasilające silniki o zmiennej prędkości.
- THDi przekracza dopuszczalne wartości – wzrost strat, wyzwalanie zabezpieczeń, zakłócenia sterowania.
- Moc bierna jest zmienna i trudna do przewidzenia – np. w liniach pakujących, przemyśle spożywczym, automatyce.
- Występuje moc bierna pojemnościowa – której klasyczne rozwiązanie nie kompensuje.
- Zakład nie spełnia norm jakości energii – a OSD nalicza opłaty karne za przekroczenie poboru energii biernej indukcyjnej lub wprowadzenie do sieci energii biernej pojemnościowej
Przykłady zastosowań filtrów aktywnych APF-100 i APF-300
Elsta Elektronika oferuje filtry aktywne w wersjach:
- APF-100/25/4w/E – kompensacja do 25 A na fazę,
- APF-100/50/4w/E – kompensacja do 50 A na fazę,
- APF-300/200/E – kompensacja do 200 A na fazę,
- APF-300/400/E – kompensacja do 400 A na fazę.
Typowe zastosowania:
- linie produkcyjne z napędami o zmiennej prędkości,
- hale przemysłowe z dużym udziałem przekształtników,
- rozdzielnice w centrach danych i obiektach biurowych,
- zakłady spożywcze i farmaceutyczne z systemami HVAC,
- duże zakłady przetwórcze z automatyką zasilaną falownikowo.
Wszystkie modele oferują komunikację poprzez modbus TCP/IP, możliwość monitorowania parametrów przez interfejs webowy albo kolorowy, dotykowy panel HMI i są przystosowane do pracy w sieciach niskiego napięcia w układzie 4-przewodowym.
Porównanie technologii: tradycyjne rozwiązanie vs filtr aktywny
| Cecha | Tradycyjne rozwiązanie | Filtr aktywny (np. APF-100/50/4w/E) |
| Charakter kompensowanej mocy biernej | tylko indukcyjna | indukcyjna + pojemnościowa |
| Filtracja wyższych harmonicznych prądu | brak | tak (do 50. harmonicznej) |
| Reakcja na zmiany obciążenia | wolna, etapowa | dynamiczna, w czasie rzeczywistym |
| Wpływ na THDi | neutralny lub negatywny | redukcja THDi <5% |
| Potencjalne ryzyko rezonansu | obecne | brak |
| Poprawa jakości energii elektrycznej | szczątkowa | kompleksowa |
Jak dobrać rozwiązanie kompensacyjne do swojej instalacji?
Wybór między tradycyjnym rozwiązaniem a filtrem aktywnym powinien być oparty na:
- profilu obciążenia (liniowe vs nieliniowe),
- zmienności mocy biernej,
- poziomie THDi,
- wymaganiach operatora sieci i norm prawnych.
Tradycyjne rozwiązanie poradzi sobie w stabilnych układach z silnikami bez falowników.
Filtr aktywny sprawdzi się tam, gdzie potrzebna jest eliminacja zakłóceń pochodzących od wyższych harmonicznych prądu, dynamiczna reakcja na zmiany charakterystyki włączanych odbiorników i kompleksowa korekta jakości energii.
