Współczesne systemy elektroenergetyczne są coraz bardziej obciążone odbiornikami nieliniowymi, takimi jak falowniki, zasilacze impulsowe, systemy sterowania energoelektronicznego czy serwomechanizmy. Urządzenia te generują odkształcenia prądowe, które skutkują pojawieniem się wyższych harmonicznych w sieci elektroenergetycznej. Problem ten stanowi istotne wyzwanie dla przemysłu, gdzie jakość energii elektrycznej przekłada się bezpośrednio na wydajność i niezawodność procesów technologicznych.

Czym są wyższe harmoniczne i jak powstają?

Wyższe harmoniczne to składowe przebiegów napięcia i prądu o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej sieci elektroenergetycznej (50 Hz). Ich obecność wynika głównie z pracy odbiorników nieliniowych, które nie pobierają prądu sinusoidalnie, lecz generują odkształcenia sygnału elektrycznego. W sieciach trójfazowych, czteroprzewodowych, wyższe harmoniczne mogą prowadzić do zwiększonej asymetrii napięcia i prądu oraz nadmiernego nagrzewania się przewodu neutralnego.

Wpływ wyższych harmonicznych na sieć elektroenergetyczną

Obecność wyższych harmonicznych w sieci prowadzi do szeregu negatywnych skutków:

• Zwiększenie strat mocy – harmoniczne powodują wzrost strat w transformatorach, silnikach oraz przewodach, co obniża sprawność systemu elektroenergetycznego.
  
• Przegrzewanie się przewodów i urządzeń – dodatkowa moc czynna generowana przez harmoniczne powoduje wzrost temperatury, co przyspiesza degradację izolacji i skraca żywotność sprzętu.
  
• Zakłócenia systemów sterowania – wyższe harmoniczne wpływają na precyzyjne układy sterowania w automatyce przemysłowej, powodując błędy w pracy urządzeń.
  
• Zmniejszenie sprawności silników elektrycznych – harmoniczne wywołują dodatkowe straty w rdzeniu magnetycznym oraz w uzwojeniach, prowadząc do obniżenia momentu obrotowego.
  
• Problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną – zakłócenia generowane przez harmoniczne mogą wpływać na działanie czułych układów elektronicznych, co prowadzi do nieprzewidywalnych anomalii w pracy systemów.
  

Metody redukcji wyższych harmonicznych

Filtry aktywne

Filtry aktywne to pewne rozwiązanie problemu z wyższymi harmonicznymi prądu. Są one w stanie dynamicznie kompensować wyższe harmoniczne poprzez generowanie sygnału o przeciwnej fazie do niepożądanych składowych prądowych. Dzięki wykorzystaniu analizy FFT (Fast Fourier Transform), filtry aktywne monitorują i dostosowują się do rzeczywistego stanu sieci w czasie rzeczywistym. Wytworzony w filtrze aktywnym prąd kompensacyjny pozwala na uzyskanie praktycznie nieodkształconego przebiegu sinusoidalnego widocznego od strony sieci energetycznej. Urządzenie oprócz filtracji wyższych harmonicznych realizuje także kompensację mocy biernej i symetryzację prądów fazowych wraz z redukcją prądu przewodu neutralnego.

Skuteczność filtrów aktywnych – analiza pomiarowa

Badania przeprowadzone w środowisku przemysłowym wykazały, że zastosowanie filtrów aktywnych pozwala na znaczne obniżenie całkowitego współczynnika zniekształceń harmonicznych prądu (THDi – Total Harmonic Distortion). Wyniki pomiarów wykazały:

• Redukcję THD prądu o 60-80%, w zależności od obciążenia i konfiguracji systemu.
  
• Zmniejszenie nagrzewania się przewodów – poprawa warunków pracy układów zasilających.
  
• Optymalizację pracy urządzeń przemysłowych – zmniejszenie awaryjności systemów sterowania i silników elektrycznych.
  

Dodatkowe analizy i badania oscyloskopowe potwierdziły skuteczność filtracji, wskazując na wygaszanie niepożądanych składowych po stronie odbiornika.

Zastosowanie filtrów aktywnych w przemyśle

Filtry aktywne są wykorzystywane w sektorach, gdzie jakość energii elektrycznej ma kluczowe znaczenie:

• Automatyka przemysłowa – ochrona układów sterowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.
  
• Przemysł motoryzacyjny – zapewnienie stabilnego zasilania dla linii produkcyjnych i robotów przemysłowych.
  
• Sektor IT i centra danych – zapewnienie stabilności zasilania systemów serwerowych.
  
• Branża medyczna – ochrona precyzyjnych urządzeń diagnostycznych i systemów podtrzymywania życia.
  
  

Eliminacja wyższych harmonicznych przy pomocy filtrów aktywnych

Wyższe harmoniczne stanowią istotne wyzwanie dla jakości energii elektrycznej, wpływając na sprawność i bezpieczeństwo urządzeń przemysłowych. Nowoczesne rozwiązania w zakresie filtracji aktywnej pozwalają na skuteczne ograniczenie tych niepożądanych składowych, poprawiając jakość energii i wydajność systemów elektroenergetycznych. Wdrożenie filtrów aktywnych to inwestycja, która przekłada się na oszczędności energii, wydłużenie żywotności urządzeń oraz zwiększenie stabilności całej infrastruktury przemysłowej.