Wprowadzenie

Zakłócenia w sieci elektrycznej są jednym z najczęstszych, a jednocześnie najtrudniejszych do jednoznacznej diagnozy problemów w instalacjach przemysłowych. Objawiają się często w sposób pośredni – poprzez:

• niestabilną pracę maszyn,
• losowe przestoje,
• błędy falowników i sterowników,
• skróconą żywotność elektroniki mocy.

W praktyce zakłócenia te nie zawsze pochodzą z sieci zewnętrznej. Coraz częściej są one generowane wewnątrz zakładu, jako efekt pracy odbiorników nieliniowych i dynamicznych procesów technologicznych.

Czym są zakłócenia w sieci elektrycznej

Zakłócenia w sieci elektrycznej to wszelkie odchylenia parametrów napięcia i prądu od wartości idealnych, określonych w normach i dokumentacjach technicznych. Mogą one dotyczyć zarówno kształtu przebiegów, jak i ich wartości skutecznych czy symetrii faz.

Do najczęściej spotykanych zakłóceń w sieciach niskiego napięcia należą:

• odkształcenia harmoniczne prądu i napięcia,
• asymetria faz,
• fluktuacje obciążenia,
• prądy w przewodzie neutralnym,
• zakłócenia przewodzone o charakterze ciągłym.

Nie wszystkie z nich mają charakter krótkotrwały – wiele stanowi stały element pracy instalacji.

Źródła zakłóceń w instalacjach przemysłowych

Odbiorniki nieliniowe

Podstawowym źródłem zakłóceń w nowoczesnych zakładach są odbiorniki nieliniowe, takie jak:

• falowniki i serwonapędy,
• zasilacze impulsowe,
• prostowniki,
• oświetlenie LED,
• spawarki i zgrzewarki.

Urządzenia te pobierają prąd w sposób impulsowy, co prowadzi do powstawania wyższych harmonicznych i deformacji przebiegów prądowych.

Dynamiczne zmiany obciążenia

Procesy technologiczne charakteryzujące się częstymi zmianami mocy powodują:

• gwałtowne zmiany prądu,
• lokalne wahania napięcia,
• niestabilne warunki pracy dla innych odbiorników.

Zakłócenia te nie zawsze są rejestrowane jako „awarie”, ale mają istotny wpływ na długoterminową niezawodność instalacji.

Wpływ zakłóceń na automatykę i napędy

Zakłócenia w sieci elektrycznej szczególnie silnie oddziałują na:

• falowniki,
• serwonapędy,
• sterowniki PLC,
• systemy pomiarowe.

Do typowych skutków należą:

• błędy overvoltage i undervoltage,
• resety sterowników bez jednoznacznej przyczyny,
• niestabilna praca regulatorów,
• przegrzewanie elementów mocy,
• skrócenie żywotności kondensatorów DC-link i modułów IGBT.
  

W wielu przypadkach źródło problemu nie leży w samym urządzeniu, lecz w jakości energii dostarczanej do jego zacisków.

Zakłócenia a jakość energii elektrycznej

Zakłócenia w sieci są bezpośrednio powiązane z parametrami jakości energii elektrycznej, takimi jak:

• współczynnik THDi,
• asymetria prądów,
• zawartość harmonicznych wyższych rzędów,
• stabilność napięcia.

Pogorszenie tych parametrów prowadzi do:

• wzrostu strat w transformatorach i kablach,
• przeciążenia przewodu neutralnego,
• zwiększonego nagrzewania elementów instalacji,
• trudnych do przewidzenia problemów eksploatacyjnych.

Dlatego zakłócenia nie powinny być analizowane wyłącznie jako incydenty, lecz jako systemowy problem jakości energii.

Metody ograniczania zakłóceń w sieci elektrycznej

Rozwiązania pasywne

Do klasycznych metod ograniczania zakłóceń należą:

• dławiki,
• filtry pasywne,
• baterie kondensatorów z detuningiem (z dławikami, które zapobiegają rezonansowi pomiędzy kondensatorami a siecią).

Rozwiązania te mogą być skuteczne w prostych instalacjach, jednak:

• działają w wąskim zakresie częstotliwości,
• nie reagują dynamicznie,
• nie eliminują wszystkich rodzajów zakłóceń.

Filtry aktywne jako narzędzie redukcji zakłóceń

Filtry aktywne stanowią uzupełnienie i rozwinięcie klasycznych metod. Ich działanie polega na:

• dynamicznej kompensacji wyższych harmonicznych prądu,
• poprawie symetrii obciążeń fazowych,
• ograniczeniu prądów w przewodzie neutralnym,
• stabilizacji warunków pracy odbiorników.

W przeciwieństwie do rozwiązań pasywnych filtry aktywne:

• reagują w czasie rzeczywistym,
• dostosowują się do aktualnych warunków pracy instalacji,
• nie wprowadzają ryzyka rezonansu.

Nie eliminują one wszystkich możliwych zakłóceń (np. udarów atmosferycznych, skutków uderzeń pioruna), ale skutecznie ograniczają zakłócenia generowane wewnątrz zakładu.

Kiedy zakłócenia wymagają analizy jakości energii

Jeżeli w instalacji występują:

• losowe błędy napędów i sterowników,
• częste przegrzewanie elektroniki,
• nieuzasadnione wyzwalanie zabezpieczeń,
• trudne do powiązania przestoje,

konieczne staje się przeprowadzenie analizy jakości energii, a nie tylko punktowych pomiarów napięcia czy prądu.

Dopiero analiza pozwala:

• zidentyfikować rzeczywiste źródła zakłóceń,
• określić ich charakter i poziom,
• dobrać właściwe środki techniczne.

Podsumowanie

Zakłócenia w sieci elektrycznej są nieodłącznym elementem pracy nowoczesnych instalacji przemysłowych. Ich źródłem coraz częściej nie jest sieć zewnętrzna, lecz własne odbiorniki i procesy technologiczne.

Skuteczne ograniczanie zakłóceń wymaga:

• zrozumienia mechanizmów ich powstawania,
• powiązania problemów eksploatacyjnych z jakością energii,
• doboru rozwiązań dostosowanych do charakteru instalacji.
  
  

W tym kontekście filtry aktywne stanowią jedno z narzędzi systemowej poprawy jakości energii, a nie jedynie element dodatkowy instalacji.