Wyższe harmoniczne stanowią jedno z najpoważniejszych zagrożeń dla jakości energii elektrycznej w zakładach przemysłowych. Ich obecność prowadzi do nadmiernego nagrzewania urządzeń, zakłóceń pracy maszyn, przeciążenia transformatorów oraz zwiększonych strat energii. Problem narasta wraz z rosnącą liczbą odbiorników nieliniowych, takich jak falowniki, zasilacze impulsowe, napędy serwo czy instalacje PV.

Poniższy artykuł przedstawia mechanizmy powstawania wyższych harmonicznych, ich skutki oraz techniki ich skutecznego ograniczania – w tym zastosowanie filtrów aktywnych przeznaczonych do pracy w środowisku przemysłowym.

Czym są wyższe harmoniczne napięcia i prądu

Wyższe harmoniczne to składowe sygnału prądu lub napięcia o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej (50 Hz). Powstają w wyniku nieliniowej pracy odbiorników, które deformują sinusoidalny przebieg prądu lub napięcia.

Stopień odkształcenia opisuje współczynnik THD:

• THDi – odkształcenia prądu,
• THDu – odkształcenia napięcia.

Im wyższy poziom THD, tym większa zawartość harmonicznych i tym większe skutki energetyczne oraz eksploatacyjne dla instalacji.

Najczęstsze źródła harmonicznych w instalacjach przemysłowych

Do głównych odbiorników generujących wyższe harmoniczne należą:

• falowniki i przemienniki częstotliwości,
• serwonapędy w maszynach CNC i robotach,
• prostowniki i UPS,
• zasilacze impulsowe,
• piece indukcyjne,
• systemy fotowoltaiczne,
• prasy, linie produkcyjne z dużą liczbą napędów,
• oświetlenie LED o dużej mocy.

W praktyce niemal każde urządzenie energoelektroniczne staje się potencjalnym źródłem harmonicznych.

Skutki obecności harmonicznych w zakładzie przemysłowym

Wyższe harmoniczne oddziałują negatywnie na praktycznie wszystkie elementy instalacji elektrycznej.

Przegrzewanie transformatorów i przewodów

Harmoniczne zwiększają straty energii, powodując podwyższoną temperaturę:

• uzwojeń transformatora,
• kabli zasilających,
• przewodu neutralnego (szczególnie harmoniczne 3, 9 i 15).

Może to prowadzić do skrócenia żywotności elementów oraz ich awarii.

Nadmierne obciążenie przewodu neutralnego

Harmoniczne trzeciego rzędu sumują się w przewodzie neutralnym, powodując wzrost prądu ponad wartość fazową. To jedna z najczęstszych przyczyn przegrzewania żyły N w zakładach z dużą liczbą falowników.

Wyzwalanie zabezpieczeń i zakłócenia automatyki

Harmoniczne powodują:

• wyzwalanie zabezpieczeń różnicowoprądowych i nadprądowych,
• błędy falowników (Overcurrent, DC Bus Fault),
• resetowanie sterowników PLC i paneli HMI,
• zakłócenia komunikacji przemysłowej,
• niestabilną pracę robotów i maszyn CNC.

Spadek efektywności energetycznej

Obciążenie wyższymi harmonicznymi powoduje:

• wzrost strat mocy,
• zwiększone nagrzewanie elementów,
• obniżenie sprawności systemu,
• wyższe koszty energii.

Normy dotyczące wyższych harmonicznych

PN-EN 50160 – jakość napięcia w sieciach publicznych

Norma określa dopuszczalne poziomy odkształceń napięcia:

• THDu w sieciach niskiego napięcia zwykle nie powinien przekraczać 8 %,

Jak diagnozować poziom wyższych harmonicznych

Analiza widmowa prądu i napięcia

Prawidłowa diagnostyka wymaga:

• pomiaru wyższych harmonicznych do 50. rzędu,
• rejestracji szybkich zmian obciążenia,
• analizy prądów fazowych i przewodu neutralnego..

Zwykły multimetr nie jest w stanie wykryć wyższych harmonicznych – niezbędny jest analizator jakości energii zgodny z PN-EN 61000-4-30.

Typowe objawy zbyt wysokiego THD

• transformator ma wyraźnie podwyższoną temperaturę,
• przewód neutralny nagrzewa się mimo równych obciążeń faz,
• falowniki losowo zgłaszają błędy,
• sterowniki resetują się podczas zmian obciążenia,
• automatyczne linie produkcyjne przerywają pracę lub generują zwiększony poziom braków,
• w rozdzielnicach słyszalne są dźwięki i wibracje.
  

Skuteczne metody redukcji wyższych harmonicznych

Filtry aktywne typu APF-100 i APF-300

Filtry aktywne są obecnie najskuteczniejszym rozwiązaniem eliminującym harmoniczne w środowisku przemysłowym. Ich zalety to:

• redukcja harmonicznych prądu do 50. rzędu,
• działanie w czasie rzeczywistym,
• kompensacja mocy biernej,
• zmniejszenie obciążenia przewodu neutralnego,
• symetryzacja prądów fazowych,
• stabilizacja warunków zasilania linii produkcyjnych.

Zastosowanie filtrów aktywnych jest szczególnie uzasadnione w zakładach z dużą liczbą falowników, robotów, serwonapędów i urządzeń CNC.

Modernizacja instalacji

• rozdział obwodów dla odbiorników nieliniowych,
• zmniejszenie długości kabli o dużej impedancji,
• odpowiednie przewymiarowanie transformatora,
• unikanie wspólnych szyn dla odbiorników wrażliwych na zakłócenia.

Podsumowanie

Wyższe harmoniczne napięć i prądów mają znaczący wpływ na jakość energii w zakładach przemysłowych. Ich obecność prowadzi do przegrzewania transformatorów, przeciążenia przewodu neutralnego, wyzwalania zabezpieczeń oraz zakłóceń pracy automatyki. Skuteczna eliminacja wyższych harmonicznych wymaga zarówno prawidłowej diagnostyki, jak i zastosowania odpowiednich rozwiązań technicznych.

Najwyższą skuteczność zapewniają filtry aktywne, które dynamicznie kompensują wyższe harmoniczne prądu, stabilizują obciążenie sieci oraz chronią urządzenia przed skutkami odkształconego prądu. W połączeniu z właściwą modernizacją instalacji pozwalają one znacząco poprawić jakość energii i niezawodność pracy zakładu.