Czym są skoki napięcia i dlaczego stanowią problem w przemyśle

Skoki napięcia to krótkotrwałe, gwałtowne zmiany wartości napięcia w sieci elektroenergetycznej, które mogą mieć charakter wzrostowy lub spadkowy. W odróżnieniu od długotrwałych odchyleń napięcia, skoki mają bardzo krótki czas trwania, ale ich wpływ na urządzenia przemysłowe może być znaczący.

W zakładach przemysłowych skoki napięcia są szczególnie niebezpieczne, ponieważ instalacje zasilają wrażliwe układy sterowania, automatykę, napędy regulowane oraz systemy IT. Nawet krótkotrwałe zaburzenia mogą powodować zatrzymanie procesów, błędy sterowników lub uszkodzenia elektroniki.

Najczęstsze przyczyny skoków napięcia w sieci

Skoki napięcia w środowisku przemysłowym mają wiele źródeł i często wynikają z normalnej eksploatacji instalacji.

Do najczęstszych przyczyn należą:

• rozruchy silników dużej mocy,
  
• załączanie i wyłączanie transformatorów,
  
• przełączanie baterii kondensatorów,
  
• praca spawarek, pieców indukcyjnych i maszyn o dużej dynamice obciążenia,
  
• zwarcia i zakłócenia w sieci zasilającej,
  
• oddziaływanie sieci zewnętrznej, szczególnie w słabo zasilanych obszarach.
  

W nowoczesnych zakładach, gdzie wiele procesów odbywa się równolegle, skoki napięcia mogą pojawiać się cyklicznie i być trudne do zauważenia bez odpowiednich pomiarów.

Dopuszczalne skoki napięcia według norm

Kwestia dopuszczalnych skoków napięcia jest regulowana przez normy dotyczące jakości energii elektrycznej. Normy te określają zakresy zmian napięcia oraz czas ich trwania, które są uznawane za akceptowalne z punktu widzenia odbiorców.

W praktyce normy:

• nie eliminują całkowicie skoków napięcia,
  
• dopuszczają ich występowanie w określonych granicach,
  
• definiują poziomy, przy których nie powinno dochodzić do zakłóceń pracy standardowych urządzeń.
  

Dla przemysłu oznacza to, że instalacja może formalnie spełniać wymagania norm, a mimo to powodować realne problemy technologiczne. Normy odnoszą się do warunków uśrednionych, natomiast procesy przemysłowe często wymagają znacznie wyższej stabilności napięcia.

Jak skoki napięcia wpływają na urządzenia przemysłowe

Wpływ skoków napięcia na instalację zależy od rodzaju odbiorników oraz ich wrażliwości na zaburzenia zasilania.

Najczęstsze skutki to:

• resetowanie sterowników PLC i systemów automatyki,
  
• błędy komunikacji w sieciach przemysłowych,
  
• niekontrolowane zatrzymania maszyn,
  
• uszkodzenia zasilaczy impulsowych,
  
• skrócenie żywotności napędów i elektroniki mocy.
  

Szczególnie narażone są linie produkcyjne pracujące w trybie ciągłym, gdzie każda przerwa generuje straty materiałowe i organizacyjne.

Skoki napięcia a jakość energii elektrycznej

Skoki napięcia są jednym z kluczowych parametrów jakości energii elektrycznej. Występują często razem z innymi zjawiskami, takimi jak:

• wahania napięcia,
  
• asymetria faz,
  
• wyższe harmoniczne prądów i napięć,
  
• zapady i krótkotrwałe przerwy w zasilaniu.
  

Dlatego ich analiza nie powinna być prowadzona w oderwaniu od całościowej oceny stanu sieci. Skoki napięcia bardzo często są objawem głębszych problemów związanych z przeciążeniem instalacji lub niewłaściwym doborem urządzeń kompensacyjnych.

Jak diagnozować skoki napięcia w zakładzie

Skuteczna identyfikacja skoków napięcia wymaga pomiarów jakości energii prowadzonych w czasie rzeczywistym. Pojedynczy pomiar napięcia nie daje pełnego obrazu problemu.

W praktyce stosuje się:

• rejestratory jakości energii,
  
• analizatory zdarzeń napięciowych,
  
• długookresowy monitoring parametrów sieci.
  

Dopiero analiza trendów i korelacja zdarzeń z pracą maszyn pozwala określić, czy źródło problemu znajduje się w instalacji wewnętrznej, czy w sieci zasilającej.

Jak ograniczyć skoki napięcia w instalacjach przemysłowych

Ograniczanie skoków napięcia wymaga podejścia systemowego i odpowiedniego doboru rozwiązań technicznych.

Najczęściej stosowane działania to:

• optymalizacja rozruchów dużych silników,
  
• właściwe sterowanie układami kompensacji mocy biernej,
  
• separacja wrażliwych obwodów zasilania,
  
• zastosowanie kondycjonerów napięcia,
  
• poprawa jakości energii poprzez eliminację zakłóceń generowanych przez odbiorniki nieliniowe.
  

W wielu przypadkach skuteczne ograniczenie skoków napięcia nie polega na jednym urządzeniu, lecz na kompleksowej modernizacji fragmentu instalacji.

Rola filtrów aktywnych w stabilizacji napięcia

W nowoczesnych zakładach przemysłowych coraz większą rolę odgrywają filtry aktywne. Choć ich podstawowym zadaniem jest eliminacja wyższych harmonicznych prądu i kompensacja mocy biernej, mają one również istotny wpływ na stabilność napięcia.

Dzięki dynamicznemu sterowaniu prądami kompensacyjnymi filtry aktywne:

• redukują nagłe zmiany obciążenia,
  
• ograniczają zakłócenia propagujące się w sieci,
  
• poprawiają warunki pracy wrażliwych odbiorników.
  

W praktyce ich zastosowanie często prowadzi do zauważalnego zmniejszenia liczby zdarzeń napięciowych, w tym skoków napięcia.

Co oznaczają dopuszczalne skoki napięcia dla przemysłu

Z punktu widzenia przemysłu dopuszczalne skoki napięcia według norm nie zawsze oznaczają bezpieczne warunki pracy instalacji. Zakład produkcyjny powinien dążyć nie tylko do spełnienia wymagań formalnych, ale przede wszystkim do zapewnienia stabilności procesów technologicznych.

Oznacza to konieczność:

• indywidualnej analizy instalacji,
  
• monitorowania jakości energii,
  
• wdrażania rozwiązań dostosowanych do charakteru produkcji.

Podsumowanie

Skoki napięcia są zjawiskiem powszechnym w sieciach elektroenergetycznych, jednak w środowisku przemysłowym mogą prowadzić do poważnych problemów operacyjnych. Normy określają ich dopuszczalne poziomy, ale nie gwarantują bezawaryjnej pracy maszyn i systemów automatyki. Dlatego kluczowe znaczenie ma świadome zarządzanie jakością energii elektrycznej, obejmujące diagnostykę, odpowiedni dobór urządzeń oraz stosowanie nowoczesnych rozwiązań stabilizujących zasilanie.

Harmoniczne w sieci elektrycznej stanowią jeden z najpoważniejszych problemów nowoczesnych instalacji. Powodują przegrzewanie przewodów, awarie urządzeń i znaczne straty energii. Skąd się biorą i jak można je skutecznie wyeliminować?

Czym są harmoniczne w sieci elektrycznej

Harmoniczne w sieci to zniekształcenia prądu i napięcia, które odbiegają od idealnej sinusoidy. W normalnych warunkach prąd elektryczny powinien płynąć w postaci gładkiej fali o częstotliwości 50 Hz. W rzeczywistości przebieg jest zniekształcony przez różne urządzenia elektryczne.

Wyższe harmoniczne prądu powstają jako wielokrotności częstotliwości podstawowej. Najczęściej występują harmoniczne 3., 5., 7., 11. i 13. rzędu. Oznacza to częstotliwości odpowiednio 150, 250, 350, 550 i 650 Hz.

Do oceny poziomu zniekształceń pochodzących od wyższych harmonicznych prądu używa się wskaźnika THDi (współczynnik odkształcenia prądu). Wartości poniżej 5% uważa się za akceptowalne, natomiast przekroczenie 15-20% może powodować poważne problemy w instalacji.

Główne źródła wyższych harmonicznych

Falowniki i przemienniki częstotliwości

Falowniki to obecnie największe źródło wyższych harmonicznych w przemyśle. Służą do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych. Podczas pracy pobierają prąd w postaci krótkich impulsów zamiast gładkiej sinusoidy.

Pojedynczy falownik może generować THDi na poziomie 30-40%. W zakładach z dziesiątkami takich urządzeń problem staje się bardzo poważny. Wyższe harmoniczne sumują się, pogłębiając zniekształcenia w całej sieci.

Zasilacze awaryjne UPS

Systemy UPS chronią urządzenia przed przerwami w zasilaniu. Niestety, jednocześnie wprowadzają do sieci wyższe harmoniczne. Dzieje się tak zarówno podczas normalnej pracy, jak i ładowania akumulatorów.

Problem jest szczególnie widoczny w centrach danych. Setki systemów UPS pracujących jednocześnie mogą podnieść THDi nawet do 40%. To grozi uszkodzeniem transformatorów zasilających.

Nowoczesne oświetlenie LED

Oświetlenie LED zyskuje na popularności ze względu na oszczędność energii. Jednak sterowniki lamp LED zawierają zasilacze impulsowe, które generują wyższe harmoniczne. Pojedyncza lampa to niewielki problem, ale w dużych obiektach efekt się kumuluje.

W biurowcach z tysiącami opraw LED wyższe harmoniczne 3. rzędu sumują się w przewodzie neutralnym. Może to prowadzić do jego przeciążenia mimo symetrycznego obciążenia faz.

Urządzenia spawalnicze

Spawarki, szczególnie inwerterowe, wprowadzają intensywne zakłócenia. Łuk elektryczny ma nieliniową charakterystykę, generując wyższe harmoniczne wszystkich rzędów. W halach z wieloma stanowiskami spawalniczymi problem może być bardzo dotkliwy.

Skutki obecności wyższych harmonicznych

Przegrzewanie przewodów i urządzeń

Przegrzewanie przewodów to najczęstszy skutek wyższych harmonicznych. Wyższe częstotliwości płyną głównie powierzchnią przewodnika (efekt naskórkowości). Zwiększa to opór i powoduje dodatkowe nagrzewanie.

Przewód o przekroju 50 mm² może nagrzewać się jak przewód 25 mm² przy dużej zawartości harmonicznych. To skraca żywotność izolacji i zwiększa ryzyko pożaru.

Transformatory są szczególnie narażone. Straty w rdzeniu rosną wraz z częstotliwością, a wyższe harmoniczne powodują dodatkowe nagrzewanie uzwojeń. Może to skrócić żywotność transformatora o połowę.

Zniekształcenie napięcia

Odkształcenia prądu powodują też zniekształcenia przebiegu napięcia. Gdy prądy harmoniczne płyną przez impedancję sieci, powstają spadki napięcia o różnych częstotliwościach. Deformuje to sinusoidę napięcia zasilającego.

Wrażliwe urządzenia elektroniczne mogą błędnie interpretować zniekształcone napięcie. Skutkiem są restarty komputerów, błędy sterowników PLC i nieprawidłowe działanie systemów automatyki.

Awarie maszyn i sterowników

Awarie urządzeń spowodowane wyższymi harmonicznymi to poważny problem w przemyśle. Systemy sterowania zawierają precyzyjne układy pomiarowe, które mogą błędnie odczytywać zniekształcone sygnały.

Silniki elektryczne zasilane napięciem z wyższymi harmonicznymi wykazują zwiększone wibracje i hałas. W skrajnych przypadkach może dojść do uszkodzenia łożysk lub innych elementów mechanicznych.

Przeciążenie przewodu neutralnego

W instalacjach trójfazowych harmoniczne 3. rzędu mają szczególnie destrukcyjne działanie. W odróżnieniu od prądu podstawowego, harmoniczne 3. rzędu nie kompensują się w przewodzie neutralnym – sumują się.

Może to prowadzić do sytuacji, gdy prąd w przewodzie neutralnym jest większy niż w przewodach fazowych. Grozi to przegrzaniem i pożarem, szczególnie w starszych instalacjach.

Metody eliminacji wyższych harmonicznych

Filtry pasywne

Filtry pasywne to tradycyjne rozwiązanie problemu wyższych harmonicznych. Składają się z cewek i kondensatorów połączonych w obwody rezonansowe. Każdy filtr pasywny jest projektowany do eliminacji konkretnej harmonicznej – najczęściej 5. lub 7. rzędu.

Filtry pasywne to prosta konstrukcja i brak potrzeby zasilania. Wady to przede wszystkim sztywność działania. Filtr zaprojektowany na 5. harmoniczną skutecznie tłumi tylko tę częstotliwość. Po zmianie charakteru obciążenia może być nieskuteczny.

Filtry aktywne – zaawansowane rozwiązanie

Filtry aktywne to nowoczesna technologia eliminacji wyższych harmonicznych. Wykorzystują układy elektroniczne z procesorami typu FPGA. Ciągle monitorują widmo harmonicznych i generują prądy kompensacyjne o przeciwnej fazie do występujących zakłóceń.

Kluczowa zaleta to skuteczność filtracji do 50. rzędu harmonicznych. Urządzenie automatycznie dostosowuje się do zmian obciążenia, eliminując wybrane harmoniczne jednocześnie. Ryzyko rezonansu z siecią praktycznie nie istnieje.

Filtry aktywne oferują dodatkowe funkcje:

• Kompensację mocy biernej
• Symetryzację obciążeń
• Obniżenie prądu przewodu neutralnego

Porównanie skuteczności

Filtry aktywne vs pasywne różnią się znacząco skutecznością. Filtry pasywne redukują THDi do poziomu 8-12%. Filtry aktywne osiągają redukcję często poniżej 5%.

Filtry aktywne to:

• Lepsza ochrona urządzeń
• Oszczędność energii
• Redukcja awarii
• Elastyczność przy zmianach w instalacji

Kiedy stosować filtry aktywne

Eliminacja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów aktywnych jest zalecana w przypadku:

• Zmiennego charakteru obciążenia (różne falowniki, spawarki)
• Wysokich wymagań jakościowych (THDi poniżej 5%)
• Planowanej rozbudowy instalacji
• Obecności wrażliwych urządzeń elektronicznych
• Problemów z przeciążeniem przewodu neutralnego

Filtry pasywne nadal sprawdzają się przy:

• Stałych obciążeniach (piece łukowe, duże napędy)
• Ograniczonych budżetach
• Prostych instalacjach bez planów rozbudowy

Dobór odpowiedniego rozwiązania

Przed wyborem metody eliminacji wyższych harmonicznych trzeba przeprowadzić pomiary jakości energii. Analiza powinna obejmować:

• Całe spektrum wyższych harmonicznych aż do 50. rzędu
• Poziom THDi przy różnym obciążeniu
• Rozkład wyższych harmonicznych w czasie
• Asymetrię między fazami
• Obecność mocy biernej i jej charakter
• okres pomiarowy przynajmniej 1 tydzień.

Na podstawie wyników można dobrać optymalne rozwiązanie. Nowoczesne filtry aktywne są przyszłościowe – dostosowują się do zmian i chronią przed nowymi źródłami wyższych harmonicznych.

Dowiedz się, jak dobrać filtr aktywny dla Twojej instalacji – bezpłatna konsultacja z ekspertami pomoże rozwiązać problemy z wyższymi harmonicznymi. Analiza jakości energii pozwoli określić optymalne rozwiązanie i oszacować korzyści z inwestycji. Nowoczesne filtry aktywne nie tylko eliminują obecne problemy, ale również przygotowują instalację na przyszłe wyzwania.

Wprowadzenie

Redukcja mocy biernej od lat stanowi jeden z podstawowych celów optymalizacji pracy instalacji elektroenergetycznych w przemyśle. Najczęściej kojarzona jest z:

• ograniczeniem opłat naliczanych przez operatorów systemów dystrybucyjnych,
  
  
• poprawą współczynnika mocy,
  
  
• zmniejszeniem obciążenia infrastruktury zasilającej.
  
  

W praktyce jednak redukcja mocy biernej nie jest zagadnieniem wyłącznie księgowym. W nowoczesnych instalacjach przemysłowych staje się ona elementem szerszej strategii zarządzania jakością energii, mającej bezpośredni wpływ na niezawodność procesów technologicznych.

Czym w praktyce jest redukcja mocy biernej

Redukcja mocy biernej polega na ograniczeniu ilości mocy biernej pobieranej z sieci zasilającej poprzez jej lokalną kompensację. Efektem jest:

• zmniejszenie prądów płynących w sieci,
  
  
• redukcja strat cieplnych,
  
  
• poprawa warunków pracy transformatorów i kabli,
  
  
• spełnienie wymagań formalnych narzucanych przez OSD.
  
  

W klasycznym ujęciu redukcja mocy biernej utożsamiana jest z instalacją baterii kondensatorów. Jednak takie podejście nie zawsze uwzględnia rzeczywiste warunki pracy współczesnych instalacji.

Ekonomiczne aspekty redukcji mocy biernej

Opłaty za energię bierną

Jednym z głównych motywatorów redukcji mocy biernej są dodatkowe opłaty naliczane w przypadku przekroczenia dopuszczalnych wartości współczynnika mocy. W wielu zakładach przemysłowych koszty te mogą stanowić istotny udział w rachunkach za energię elektryczną.

Skuteczna redukcja mocy biernej pozwala:

• ograniczyć lub wyeliminować opłaty,
  
  
• ustabilizować koszty energii,
  
  
• poprawić przewidywalność wydatków operacyjnych.

Koszty pośrednie

W praktyce jednak koszty związane z mocą bierną nie kończą się na fakturze za energię. Nadmierny przepływ mocy biernej powoduje:

• wzrost strat w elementach sieci,
  
  
• przegrzewanie transformatorów,
  
  
• szybsze zużycie aparatury łączeniowej,
  
  
• zwiększone ryzyko awarii.
  
  

Dlatego redukcja mocy biernej powinna być rozpatrywana również w kontekście kosztów eksploatacyjnych i serwisowych.

Techniczne uwarunkowania redukcji mocy biernej

Charakter obciążenia a skuteczność redukcji

Skuteczność redukcji mocy biernej zależy w dużej mierze od:

• stabilności obciążenia,
  
  
• rodzaju odbiorników,
  
  
• obecności wyższych harmonicznych,
  
  
• dynamiki zmian mocy.
  
  

W instalacjach o stałym charakterze obciążenia klasyczne metody kompensacji mogą być wystarczające. W instalacjach dynamicznych pojawiają się jednak istotne ograniczenia.

Redukcja mocy biernej w obecności wyższych harmonicznych

Współczesne zakłady przemysłowe są w dużym stopniu oparte na energoelektronice. Odbiorniki nieliniowe generują wyższe harmoniczne prądu, które:

• pogarszają jakość energii,
  
  
• wpływają na działanie układów kompensacji,
  
  
• mogą prowadzić do przeciążeń i rezonansów.
  
  

W takich warunkach redukcja mocy biernej realizowana wyłącznie za pomocą baterii kondensatorów:

• nie rozwiązuje problemów jakościowych,
  
  
• może pogłębiać niektóre zjawiska niepożądane,
  
  
• nie zapewnia stabilnych warunków pracy instalacji.

Redukcja mocy biernej a jakość energii

Coraz częściej okazuje się, że sama redukcja mocy biernej nie jest wystarczającym celem. Kluczowe znaczenie mają również:

• odkształcenia harmoniczne,
  
  
• asymetria faz,
  
  
• fluktuacje obciążenia.
  
  

Problemy te wpływają bezpośrednio na:

• pracę falowników i serwonapędów,
  
  
• stabilność automatyki,
  
  
• żywotność elektroniki mocy.
  
  

Dlatego w nowoczesnych instalacjach redukcja mocy biernej powinna być elementem kompleksowego podejścia do jakości energii, a nie odizolowanym działaniem.

Rola rozwiązań aktywnych w redukcji mocy biernej

Filtry aktywne wprowadzają jakościowo inne podejście do redukcji mocy biernej. Ich działanie opiera się na:

• dynamicznej kompensacji mocy biernej,
  
  
• jednoczesnej redukcji wyższych harmonicznych prądu,
  
  
• poprawie symetrii obciążeń fazowych,
  
  
• stabilizacji parametrów zasilania.
  
  

Dzięki temu redukcja mocy biernej:

• jest skuteczna w warunkach zmiennego obciążenia,
  
  
• nie pogarsza jakości energii,
  
  
• wspiera niezawodność procesów technologicznych.
  
  

Rozwiązania w postaci filtrów aktywnych mogą z powodzeniem zastąpić niemal każdą tradycyjną metodę kompensacji, a także stanowią istotne uzupełnienie tam, gdzie tradycyjne metody przestają być wystarczające.

Kiedy redukcja mocy biernej wymaga analizy, a nie tylko kompensacji

Jeżeli w instalacji obserwuje się:

• częste zmiany obciążenia,
  
  
• problemy z falownikami i napędami,
  
  
• przegrzewanie infrastruktury,
  
  
• niestabilne parametry jakości energii,
  
  

Redukcja mocy biernej powinna być poprzedzona analizą jakości energii, a nie ograniczać się do doboru mocy urządzenia kompensującego.

Takie podejście pozwala:

• precyzyjnie określić źródła problemów,
  
  
• dobrać odpowiednie środki techniczne,
  
  
• uniknąć kosztownych i nieskutecznych modernizacji.

Podsumowanie

Redukcja mocy biernej pozostaje ważnym elementem optymalizacji pracy instalacji przemysłowych, jednak jej znaczenie wykracza dziś poza prostą eliminację opłat za energię bierną.

W nowoczesnych systemach zasilania redukcja mocy biernej:

• musi uwzględniać charakter obciążenia,
  
  
• powinna być powiązana z jakością energii,
  
  
• coraz częściej wymaga rozwiązań dynamicznych i wielofunkcyjnych.
  
  

Tylko takie podejście pozwala osiągnąć trwałe efekty techniczne i ekonomiczne, bez ryzyka pogorszenia niezawodności instalacji.

Wprowadzenie

Kompensacja mocy biernej jest jednym z podstawowych zagadnień w projektowaniu i eksploatacji instalacji elektroenergetycznych w przemyśle. Wraz ze wzrostem udziału odbiorników energoelektronicznych oraz dynamicznych procesów technologicznych, wybór odpowiedniej metody kompensacji staje się kluczowy dla stabilnej pracy instalacji.

W praktyce pojęcie „kompensacja mocy biernej” obejmuje dziś kilka istotnie różniących się metod, z których każda ma swoje zastosowania, ograniczenia i konsekwencje dla jakości energii elektrycznej.

Dlaczego istnieje wiele metod kompensacji mocy biernej

Nie istnieje jedna uniwersalna metoda kompensacji, która sprawdzi się w każdej instalacji. Wynika to z faktu, że:

• charakter obciążenia może być stały lub dynamiczny,
  
  
• moc bierna może mieć charakter indukcyjny lub pojemnościowy,
  
  
• w sieci mogą występować wyższa harmoniczne i asymetria,
  
  
• wymagania dotyczące jakości energii mogą być różne w zależności od procesu.
  
  

Dlatego metody kompensacji należy zawsze rozpatrywać w kontekście konkretnej instalacji, a nie jako rozwiązania „uniwersalne”.

Klasyczne metody kompensacji mocy biernej

Kompensacja indywidualna

Polega na instalacji elementów kompensujących bezpośrednio przy odbiorniku (np. silniku).

Zalety:

• ograniczenie przepływu mocy biernej w sieci wewnętrznej,
  
  
• prosta struktura.
  
  

Ograniczenia:

• brak elastyczności przy zmianach obciążenia,
  
  
• brak wpływu na jakość energii,
  
  
• trudność w utrzymaniu przy dużej liczbie odbiorników.

Kompensacja grupowa

Stosowana dla grup odbiorników o zbliżonym charakterze pracy.

Zalety:

• lepsza kontrola niż przy kompensacji indywidualnej,
  
  
• mniejsza liczba elementów kompensujących.
  
  

Ograniczenia:

• nadal ograniczona zdolność reakcji na szybkie zmiany obciążenia,
  
  
• ryzyko niedokompensowania lub przekompensowania.
  
  

Kompensacja centralna (baterie kondensatorów)

Najczęściej spotykana, tradycyjna metoda kompensacji w zakładach przemysłowych. Realizowana za pomocą baterii kondensatorów sterowanych regulatorem mocy biernej.

Zalety:

• odpowiednia redukcja mocy biernej przy stabilnym obciążeniu,
  
  
• relatywnie niskie koszty inwestycyjne,
  
  
• prosta eksploatacja.
  
  

Ograniczenia:

• regulacja skokowa,
  
  
• brak zdolności do kompensacji szybkich zmian,
  
  
• wrażliwość na wyższe harmoniczne,
  
  
• możliwość wystąpienia rezonansów.

Metody kompensacji w instalacjach z wyższymi harmonicznymi

Baterie kondensatorów z dławikami

W instalacjach, w których występują wyższe harmoniczne prądu, stosuje się baterie kondensatorów z dławikami zapobiegającymi rezonansom.

Zalety:

• ograniczenie ryzyka rezonansu,
  
  
• możliwość pracy w sieciach z umiarkowanym poziomem wyższych harmonicznych.
  
  

Ograniczenia:

• brak filtracji harmonicznych,
  
  
• nadal skokowy charakter regulacji,
  
  
• ograniczona skuteczność przy dynamicznych obciążeniach.
• 
  
  

Filtry aktywne jako metoda kompensacji wielofunkcyjnej

Filtry aktywne stanowią najbardziej zaawansowaną metodę kompensacji mocy biernej w instalacjach przemysłowych o złożonym charakterze obciążenia.

W odróżnieniu od klasycznych metod, filtr aktywny:

• kompensuje moc bierną w sposób ciągły i dynamiczny,
  
  
• jednocześnie redukuje wyższe harmoniczne prądu,
  
  
• poprawia symetrię obciążeń fazowych,
  
  
• ogranicza prądy w przewodzie neutralnym.umożliwia dostosowanie parametrów kompensacji do potrzeb zakładu.
  
  

Dzięki temu kompensacja mocy biernej staje się elementem szerszej strategii poprawy jakości energii, a nie wyłącznie narzędziem do spełnienia wymagań formalnych.

Jak dobrać właściwą metodę kompensacji

Dobór metody kompensacji mocy biernej powinien uwzględniać:

• charakter obciążenia (stałe / zmienne),
  
  
• obecność odbiorników nieliniowych,
  
  
• poziom wyższych harmonicznych,
  
  
• wymagania dotyczące jakości energii,
  
  
• koszty eksploatacyjne i serwisowe.
  
  

W instalacjach o prostym charakterze obciążenia klasyczne metody pozostają rozwiązaniem wystarczającym. W instalacjach nowoczesnych, zdominowanych przez energoelektronikę, konieczne jest podejście dynamiczne i wielofunkcyjne.

Podsumowanie

Metody kompensacji mocy biernej znacząco różnią się pod względem:

• skuteczności,
  
  
• zakresu działania,
  
  
• wpływu na jakość energii.
  
  

Nie każda metoda sprawdzi się w każdej instalacji. Współczesne zakłady przemysłowe coraz częściej wymagają rozwiązań, które:

• reagują w czasie rzeczywistym,
  
  
• nie wprowadzają dodatkowych problemów,
  
  
• poprawiają ogólną stabilność systemu zasilania.
  
  

Dlatego wybór metody kompensacji powinien być poprzedzony analizą warunków pracy instalacji, a nie wyłącznie oceną mocy biernej w punkcie przyłączenia.

Przegląd rozwiązań i ich ograniczeń w nowoczesnych sieciach zasilania

Wprowadzenie

Układy kompensacji mocy biernej są jednym z podstawowych elementów infrastruktury elektroenergetycznej w zakładach przemysłowych. Ich zadaniem jest ograniczenie niekorzystnych skutków poboru mocy biernej, takich jak dodatkowe opłaty za energię, przeciążenia elementów sieci czy obniżenie efektywności przesyłu energii.

W praktyce jednak coraz częściej okazuje się, że klasyczne rozwiązania kompensacyjne nie są wystarczające w instalacjach, w których występują:

• odbiorniki nieliniowe,
• dynamicznie zmienne obciążenia,
• układy energoelektroniczne (falowniki, serwonapędy, zasilacze impulsowe).

W takich warunkach pojęcie „układ kompensacji mocy biernej” obejmuje dziś znacznie więcej niż tradycyjne baterie kondensatorów.

Czym jest moc bierna i dlaczego wymaga kompensacji

Moc bierna jest nieodłącznym skutkiem pracy elementów indukcyjnych i pojemnościowych w sieci elektroenergetycznej. Choć nie wykonuje pracy użytecznej, powoduje:

• wzrost prądów w sieci,
• dodatkowe straty cieplne w kablach i transformatorach,
• obciążenie infrastruktury zasilającej,
• naliczanie opłat przez operatorów systemów dystrybucyjnych.

Celem kompensacji mocy biernej jest zrównoważenie bilansu mocy biernej w punkcie przyłączenia, tak aby z punktu widzenia sieci zasilającej instalacja pracowała możliwie blisko warunków idealnych.

Klasyczne układy kompensacji mocy biernej

Baterie kondensatorów

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem są baterie kondensatorów, sterowane regulatorami mocy biernej. Układy te:

• działają skokowo (załączanie/wyłączanie stopni),
• są wystarczająco skuteczne przy względnie stabilnym obciążeniu,
• dobrze sprawdzają się w instalacjach o niskim poziomie zakłóceń.

Ograniczenia klasycznych rozwiązań

W nowoczesnych zakładach przemysłowych klasyczne baterie kondensatorów coraz częściej napotykają na istotne ograniczenia:

• brak zdolności do kompensacji dynamicznych zmian mocy biernej,
• wrażliwość na wyższe harmoniczne prądu,
• ryzyko rezonansu z impedancją sieci,
• brak wpływu na asymetrię faz i prądy w przewodzie neutralnym.

W praktyce prowadzi to do sytuacji, w której formalnie moc bierna jest kompensowana, ale jednocześnie pogarsza się jakość energii w instalacji.

Nowoczesne układy kompensacji mocy biernej

Wymagania współczesnych instalacji

Współczesne instalacje przemysłowe charakteryzują się:

• dużą liczbą odbiorników energoelektronicznych,
• szybkim zmianami obciążenia,
• wysokim poziomem wyższych harmonicznych,
• wrażliwością automatyki i elektroniki mocy na parametry zasilania.

W takich warunkach układ kompensacji mocy biernej musi:

• reagować dynamicznie,
• działać niezależnie od charakteru obciążenia,
• nie pogarszać jakości energii.

Filtry aktywne jako układy kompensacji nowej generacji

Filtry aktywne stanowią nowe podejście edo kompensacji mocy biernej. Oprócz samej kompensacji realizują one dodatkowe funkcje istotne z punktu widzenia jakości energii:

• dynamiczną kompensację mocy biernej (indukcyjnej i pojemnościowej),
• filtrację wyższych harmonicznych prądu,
• symetryzację obciążeń fazowych,
• redukcję prądu przewodu neutralnego.

Dzięki pracy w czasie rzeczywistym filtry aktywne dostosowują swoje działanie do aktualnych warunków w sieci, co pozwala utrzymać stabilne parametry zasilania nawet przy szybkozmiennych obciążeniach.

Kiedy klasyczna kompensacja staje się niewystarczająca?

Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, że klasyczne układy kompensacji mocy biernej są niewystarczające m.in. w instalacjach:

• z dużą liczbą falowników i napędów regulowanych,
• z rozbudowanym oświetleniem LED,
• z automatyką wrażliwą na zakłócenia zasilania,
• o zmiennym profilu obciążenia w czasie.

W takich przypadkach problemem nie jest wyłącznie moc bierna, lecz ogólna jakość energii elektrycznej w instalacji.

Układy kompensacji mocy biernej a jakość energii

Współczesne podejście do kompensacji nie powinno być rozpatrywane w oderwaniu od jakości energii. Parametry takie jak:

• współczynnik THDi,
• asymetria prądów,
• fluktuacje obciążenia,
   mają bezpośredni wpływ na:
• żywotność urządzeń,
• niezawodność procesów technologicznych,
• koszty utrzymania infrastruktury.

Dlatego coraz częściej układy kompensacji mocy biernej są projektowane jako elementy systemów poprawy jakości energii, a nie wyłącznie narzędzia do redukcji opłat.

Podsumowanie

Układy kompensacji mocy biernej pozostają kluczowym elementem instalacji przemysłowych, jednak ich rola i forma ulegają istotnym zmianom. W środowisku zdominowanym przez odbiorniki nieliniowe i dynamiczne obciążenia:

• klasyczne baterie kondensatorów nie zawsze zapewniają oczekiwane efekty,
• konieczne staje się podejście systemowe,
• coraz większą rolę odgrywają rozwiązania aktywne.

Właściwy dobór układu kompensacji powinien uwzględniać nie tylko bilans mocy biernej, lecz także wpływ na jakość energii i niezawodność całej instalacji.

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.

Stabilność napięcia zasilającego jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na niezawodność pracy urządzeń przemysłowych. Spadki napięcia mogą powodować zatrzymania linii produkcyjnych, błędy sterowników, wyzwalanie zabezpieczeń oraz przeciążanie transformatorów. W wielu przypadkach przyczyną jest zarówno specyfika obciążenia, jak i niewłaściwa konstrukcja lub stan techniczny instalacji.

W tym opracowaniu przedstawiamy dopuszczalne wartości spadków napięcia, obowiązujące normy, najczęstsze przyczyny zjawiska oraz skuteczne metody ich ograniczania – ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań stosowanych w przemyśle.

Czym jest spadek napięcia w sieci energetycznej

Spadek napięcia to różnica między napięciem źródła a napięciem zmierzonym na końcu linii lub przy odbiorniku. Występuje naturalnie na każdym fragmencie instalacji elektrycznej, jednak jego wartość musi mieścić się w granicach określonych normami i wytycznymi projektowymi.

Zbyt duży spadek napięcia prowadzi do nieprawidłowej pracy urządzeń, zmniejszenia ich sprawności, wzrostu prądów rozruchowych oraz awarii podzespołów elektronicznych.

Normy dotyczące dopuszczalnych spadków napięcia

PN-EN 50160 – parametry napięcia zasilającego

Norma określa dopuszczalne odchylenia napięcia w publicznych sieciach elektroenergetycznych:

• napięcie powinno mieścić się w zakresie ±10 % wartości znamionowej,
• częstotliwość napięcia pozostaje w granicach ±1 %.
  

W przypadku obiektów przemysłowych z dużymi odbiorami nieliniowymi, spadki napięcia mogą częściej występować w chwilach rozruchu lub zmian obciążenia.

Najczęstsze przyczyny spadków napięcia w zakładach przemysłowych

Duże prądy rozruchowe silników

Silniki elektryczne – szczególnie o dużej mocy – pobierają kilkukrotnie większy prąd w momencie rozruchu. To powoduje krótkotrwałe, ale głębokie spadki napięcia, które mogą zakłócać pracę urządzeń automatyki, sterowników i falowników znajdujących się w tej samej sekcji zasilania.

Niewystarczające przekroje przewodów lub znaczna długość kabli

Zbyt duża impedancja przewodów powoduje zwiększenie spadków napięcia na odcinkach przesyłowych. Dotyczy to zwłaszcza hal o rozproszonej infrastrukturze oraz instalacji modernizowanych etapowo bez korekty przekrojów kablowych.

Przeciążony transformator

Gdy transformator pracuje z obciążeniem bliskim mocy znamionowej lub jest obciążany odbiornikami o wysokim współczynniku THDi, jego zdolność do utrzymania stabilnego napięcia maleje.

Duża liczba odbiorników nieliniowych

Falowniki, serwonapędy, prostowniki, UPS i zasilacze impulsowe mogą powodować szybkie i nieregularne zmiany obciążenia, co pogłębia spadki napięcia.

Niestabilność sieci zewnętrznej

Spadki napięcia mogą wynikać również z parametrów sieci dystrybucyjnej, szczególnie w przypadku dużych odbiorców przemysłowych zasilanych z linii o znacznej długości lub obciążonej infrastruktury OSD.

Skutki zbyt dużych spadków napięcia

Spadki napięcia przekraczające wartości dopuszczalne prowadzą do szeregu problemów eksploatacyjnych:

• wyłączanie sterowników PLC i paneli operatorskich,
• błędy falowników (Undervoltage, DC Bus Undervoltage),
• przestoje linii produkcyjnych,
• niestabilna praca maszyn CNC i robotów,
• zwiększone prądy rozruchowe i nagrzewanie uzwojeń silników,
• skrócenie żywotności urządzeń elektronicznych,
• zakłócenia transmisji danych w sieciach przemysłowych,
• pogorszenie jakości energii i wzrost strat energii elektrycznej.
  

W środowisku przemysłowym skutki te mogą prowadzić do realnych strat finansowych, nieplanowanych przestojów oraz zagrożeń dla ciągłości produkcji.

Jak diagnozować spadki napięcia

Analiza parametrów jakości energii

Skuteczna diagnostyka wymaga pomiarów napięcia z wysoką rozdzielczością czasową oraz rejestracji zdarzeń krótkotrwałych. Kluczowe jest monitorowanie:

• napięcia fazowego i międzyfazowego,
• prądów chwilowych,
• wartości THD napięcia (THDu),
• mocy czynnej, biernej i odkształcenia,
• zapady, wzrosty napięcia, przerwy w zasilaniu.
  

Rejestracja zdarzeń szybkozmiennych

Chwilowe spadki napięcia mogą trwać milisekundy, dlatego standardowe multimetry lub liczniki energii nie są w stanie ich wykryć. Wymagane są analizatory zgodne z PN-EN 61000-4-30, umożliwiające rejestrację w czasie rzeczywistym.

Jak ograniczyć spadki napięcia w instalacjach przemysłowych

Modernizacja instalacji zasilającej

Do często stosowanych działań należą:

• zwiększenie przekrojów przewodów,
• skrócenie długości odcinków kablowych,
• ograniczenie wspólnych szyn zasilających dla odbiorników wrażliwych,
• poprawa połączeń i minimalizacja rezystancji styków.

Zastosowanie rozwiązań kompensujących dynamiczne spadki napięcia

Operatorzy OSD mają możliwość zabudowy na słupach linii niskiego napięcia Kondycjonery napięcia typu KN-01, które chronią wybrany odcinek sieci i pozwalają na utrzymanie poziomu napięcia w ustalonych granicach z jednoczesną redukcją asymetrii.Kondycjonery napięcia typu KN-01, stabilizują napięcie w ułamku sekundy, niwelując skutki nagłych obciążeń, falowników, napędów oraz zewnętrznych zakłóceń sieci.

Redukcja zniekształceń prądu (THDi)

Wysoki poziom THDi jest częstą przyczyną spadków napięcia w instalacjach z przemiennikami częstotliwości. Zastosowanie filtrów aktywnych:

• zmniejsza odkształcenia prądu,
• redukuje obciążenie transformatora,
• poprawia warunki pracy urządzeń automatyki.

Podsumowanie

Dopuszczalne spadki napięcia są określone normami i muszą być zachowane w instalacjach przemysłowych, aby zapewnić prawidłową pracę maszyn i systemów automatyki. Przekroczenia wartości dopuszczalnych mogą prowadzić do awarii, zakłóceń i przestojów produkcyjnych. Kluczem do stabilności zasilania jest właściwa diagnostyka, analiza jakości energii oraz zastosowanie rozwiązań technicznych umożliwiających ograniczenie spadków napięcia, takich jak filtry aktywne i kondycjonery napięcia.

Stabilne zasilanie stanowi podstawę niezawodnej pracy przemysłu, a odpowiednio dobrane rozwiązania elektroenergetyczne pozwalają znacząco ograniczyć ryzyko awarii i poprawić efektywność energetyczną obiektów produkcyjnych.

W nowoczesnych zakładach przemysłowych odkształcenia prądu – określane współczynnikiem THDi – stają się jednym z kluczowych parametrów determinujących stabilność i niezawodność pracy instalacji elektrycznych. Rosnąca liczba odbiorników nieliniowych, takich jak falowniki, serwonapędy, prostowniki czy zasilacze impulsowe, powoduje istotne zniekształcenia prądu, które prowadzą do przeciążeń transformatorów, wyłączania zabezpieczeń, zakłóceń sterowania oraz spadku efektywności energetycznej.

W tym opracowaniu przedstawiamy dopuszczalne wartości THDi, najczęstsze skutki przekroczeń oraz sprawdzone sposoby obniżania odkształceń – w tym zastosowanie filtrów aktywnych stosowanych w przemyśle.

Czym jest THD prądu (THDi)

Definicja THD prądu

THD prądu (THDi, Total Harmonic Distortion of current) to wskaźnik określający, w jakim stopniu przebieg prądu odbiega od idealnej sinusoidy. Oblicza się go jako stosunek wartości skutecznej wszystkich harmonicznych prądu do wartości skutecznej składowej podstawowej.

Wysoki THDi oznacza, że prąd zawiera dużą liczbę wyższych harmonicznych, które obciążają transformator, przewody i urządzenia zasilające.

Najczęstsze źródła wysokiego THDi

W przemyśle podwyższone THDi najczęściej generują:

• przemienniki częstotliwości (falowniki),
• serwonapędy,
• zasilacze impulsowe,
• urządzenia CNC,
• napędy dużej mocy,
• piece indukcyjne,
• instalacje fotowoltaiczne,
• UPS i prostowniki.

Wszystkie te urządzenia przetwarzają energię w sposób nieliniowy, co jest bezpośrednią przyczyną powstawania harmonicznych prądu.

Jakie jest dopuszczalne THD prądu

Typowe dopuszczalne wartości THDi w instalacjach przemysłowych

W praktyce przemysłowej stosuje się najczęściej następujące wartości odniesienia:

• THDi ≤ 10% – wartość zalecana w instalacjach z dużą liczbą falowników,
• THDi ≤ 5% – dla infrastruktury krytycznej: data center, laboratoria, zakłady precyzyjne,
• THDi ≤ 15–20% – wartości akceptowalne w typowych sieciach niskiego napięcia, gdy transformator jest dobrany z odpowiednim zapasem mocy.

Wartości powyżej 20–25% uznaje się za sygnał wskazujący konieczność przeprowadzenia pomiarów i korekcji jakości energii.

Skutki przekroczenia THDi w zakładzie przemysłowym

Wysoki poziom odkształceń prądu prowadzi do szeregu negatywnych skutków technicznych, ekonomicznych i eksploatacyjnych.

Przegrzewanie transformatorów i przewodów neutralnych

Wyższeharmoniczne nie wykorzystują energii efektywnie, a ich przepływ powoduje zwiększone straty cieplne w transformatorach i kablach. Szczególnie niebezpieczne są harmoniczne rzędu trzeciego i wielokrotności trzeciej (3, 9, 15), które sumują się w przewodzie neutralnym i powodują jego nadmierne nagrzewanie.

Awarie urządzeń automatyki i napędów

Wysoki THDi może powodować:

• wyzwalanie zabezpieczeń,
• błędy falowników (Overcurrent, Undervoltage, DC Bus Fault),
• resetowanie sterowników PLC,
• zakłócenia transmisji danych w sieciach przemysłowych,
• niestabilną pracę robotów i maszyn CNC.
  

Straty energii i koszty operacyjne

Wzrost odkształceń prądu zwiększa straty I²R w przewodach i transformatorach. Zwiększa to koszty energii, obniża sprawność energetyczną i wpływa na żywotność podzespołów.

Jak mierzyć THD prądu w zakładzie

Analiza widmowa prądu

Do poprawnego pomiaru odkształceń harmonicznych wymagane jest wykonanie analizy widmowej obejmującej wyższe harmoniczne najlepiej do co najmniej 50. rzędu. Tylko takie pomiary pozwalają precyzyjnie określić źródła zniekształceń.

Wymagania dla urządzeń pomiarowych

Do pomiaru THDi nie wystarczają multimetry. Niezbędne są analizatory jakości energii klasy A:

• zgodnej z PN-EN 61000-4-30,
• umożliwiającej pomiary w układach cztero- i pięcioprzewodowych,
• rejestrującej zdarzenia szybkozmienne.
  

Jak obniżyć THD prądu w instalacjach przemysłowych

Filtry aktywne

Najskuteczniejszym sposobem redukcji THDi są filtry aktywne. Urządzenia te:

• kompensują wyższe harmoniczne prądu do 50. rzędu,
• działają w czasie rzeczywistym,
• ograniczają prąd w przewodzie neutralnym,
• redukują asymetrię  obciążenia,
• jednocześnie kompensują moc bierną.
  

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 stosowane są w zakładach, gdzie:

• występuje duża liczba falowników,
• prądy mają wysoki poziom odkształceń,
• pojawiają się zakłócenia automatyki,
• transformator jest przeciążony przez wyższe harmoniczne i moc bierną,
• przewód neutralny wykazuje nadmierne nagrzewanie.

Modyfikacje instalacji

W niektórych przypadkach poprawę można uzyskać poprzez:

• odpowiedni podział sekcji zasilania,
• stosowanie dławików wejściowych dla falowników,
• skrócenie odcinków kablowych o dużej impedancji,
• przewymiarowanie transformatorów.

Podsumowanie

Dopuszczalne THD prądu (THDi) jest jednym z kluczowych parametrów jakości energii decydujących o niezawodności systemów zasilania w zakładach przemysłowych. Wzrost odkształceń prowadzi do przegrzewania przewodów, awarii urządzeń, zakłóceń pracy automatyki oraz zwiększonych kosztów energii. Skuteczne ograniczenie THDi wymaga prawidłowych pomiarów, analizy widmowej oraz zastosowania technologii, które redukują wyższe harmoniczne w czasie rzeczywistym.

Filtry aktywne stosowane w przemyśle stanowią obecnie najefektywniejszą metodę ograniczania THDi i stabilizacji pracy instalacji obciążonych odbiornikami nieliniowymi.

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.

Jakość energii elektrycznej w zakładach przemysłowych ma bezpośredni wpływ na niezawodność pracy maszyn, efektywność energetyczną oraz żywotność urządzeń automatyki. Wraz z rosnącą liczbą odbiorników nieliniowych, rozproszonych źródeł energii i przekształtników energoelektronicznych, utrzymanie stabilnych parametrów zasilania staje się jednym z najważniejszych wyzwań współczesnego przemysłu.

W tym opracowaniu przedstawiamy najważniejsze parametry jakościowe energii elektrycznej, obowiązujące normy oraz ich wpływ na funkcjonowanie zakładów produkcyjnych.

Czym są parametry jakościowe energii elektrycznej

Parametry jakościowe energii elektrycznej określają zgodność napięcia i częstotliwości z wymaganiami pozwalającymi na prawidłową pracę odbiorników. Ich wartość zależy od charakterystyki sieci, rodzaju odbiorów oraz warunków eksploatacji.

Najważniejsze parametry obejmują:

• poziom napięcia i odchylenia napięcia,
• częstotliwość zasilania,
• współczynnik THDu i THDi,
• migotanie napięcia (flicker),
• symetrię napięć i prądów,
• krótkotrwałe zapady i wzrosty napięcia
• czasowe przerwy w zasilaniu,
• zawartość wyższych harmonicznych.

Ich analiza pozwala ocenić stabilność zasilania oraz zidentyfikować potencjalne zagrożenia dla instalacji i urządzeń.

Normy dotyczące jakości energii elektrycznej

PN-EN 50160 – parametry napięcia w sieciach publicznych

Norma PN-EN 50160 definiuje dopuszczalne zakresy parametrów jakościowych napięcia dostarczanego przez sieć elektroenergetyczną niskiego i średniego napięcia. Obejmuje m.in.:

• odchylenia napięcia: ±10 % wartości znamionowej,
• częstotliwość: 50 Hz ±1 %,
• współczynnik THDu: zwykle do 8 %,
• migotanie: zgodnie z wartościami krótkoterminowymi Pst i długoterminowymi Plt,
• dopuszczalne poziomy zapadów i krótkotrwałych przerw.

Norma ta jest podstawą oceny jakości energii dostarczanej przez operatorów systemów dystrybucyjnych.

Najważniejsze parametry jakości energii i ich znaczenie

Odchylenia napięcia

Zbyt wysokie lub zbyt niskie napięcie prowadzi do:

• przegrzewania silników,
• spadku sprawności,
• wyzwalania zabezpieczeń,
• nieprawidłowej pracy sterowników.

Pozornie niewielkie odchylenia mogą generować poważne konsekwencje w zakładach o wysokiej automatyzacji.

Częstotliwość

Stałość częstotliwości zasilania ma kluczowe znaczenie dla:

• synchronizacji napędów,
• sterowania procesami,
• pracy generatorów i instalacji PV.

Choć odchylenia częstotliwości są rzadkie, ich skutki mogą być poważne.

Harmoniczne napięcia i prądów (THDu i THDi)

Wyższe harmoniczne powodują:

• nagrzewanie transformatorów,
• przeciążenie przewodu neutralnego,
• błędy falowników i sterowników,
• wyzwalanie zabezpieczeń.

Redukcja wyższych harmonicznych jest jednym z najskuteczniejszych sposobów poprawy jakości energii w przemyśle.

Migotanie napięcia (flicker)

Wahania napięcia widoczne jako pulsowanie oświetlenia. Powodowane przez:

• zmienne obciążenia,
• rozruchy dużych silników,
• impulsy z urządzeń energoelektronicznych.

Flicker negatywnie wpływa na pracę maszyn wrażliwych na stabilność napięcia.

Symetria napięć i prądów

Asymetria napięć prowadzi do:

• nierównomiernego obciążenia faz,
• nagrzewania silników,
• spadku trwałości izolacji,
• zwiększenia prądów w przewodzie neutralnym.

To jeden z najczęstszych problemów w zakładach z rozproszonym obciążeniem.

Zapady i wzrosty napięcia

Krótkotrwałe obniżenia lub podwyższenia napięcia są częstą przyczyną:

• resetów sterowników,
• błędów napędów,
• zatrzymań linii produkcyjnych.

Ich detekcja wymaga analizatorów klasy A zgodnych z EN 61000-4-30.

Diagnostyka parametrów jakości energii

Analiza jakości energii w czasie rzeczywistym

Skuteczna ocena jakości energii wymaga:

• rejestracji napięć, prądów i wyższych harmonicznych,
• pomiarów z wysoką rozdzielczością,
• rejestracji zapadów i wzrostów napięcia
• analizy mocy czynnej, biernej i odkształcenia.

W środowisku przemysłowym pomiar powinien obejmować pełną analizę widmową tj. do  50. harmonicznej.

Dlaczego standardowe mierniki nie wystarczają

Multimetry lub proste analizatory:

• nie rejestrują zdarzeń szybkozmiennych,
• nie wykrywają harmonicznych wyższych rzędów,
• nie analizują zdarzeń typu zapad, wzrost napięcia
• nie pozwalają na precyzyjne diagnozowanie przyczyn zakłóceń.

Do poprawnej analizy potrzebny jest analizator zgodny z IEC 61000-4-30 klasy A.

Sposoby poprawy parametrów jakości energii w zakładach przemysłowych

Filtry aktywne typu APF-100 i APF-300

Filtry aktywne skutecznie redukują:

• wyższe harmoniczne prądu (THDi),
• obciążenie przewodu neutralnego,
• asymetrię prądów,
• moc bierną indukcyjną i pojemnościową.

Stabilizują pracę linii produkcyjnych i eliminują problemy automatyki wynikające z odkształconego prądu.

Kondycjonery napięcia typu KN-01

Urządzenia stabilizujące napięcie w czasie rzeczywistym są stosowane na wybranych odcinkach linii niskiego napięcia – tam, gdzie występują:

• zapady i wzrosty napięcia,
• spadki napięcia podczas rozruchów zakładów produkcyjnych
• nagłe zmiany obciążenia,
• asymetria napięć.

Poprawiają parametry napięcia i pozwalają operatorom OSD utrzymać wartości zgodne z normą PN-EN 50160.

Modernizacja instalacji

Do najczęstszych działań należą:

• zwiększenie przekrojów przewodów,
• ograniczenie długości obwodów o dużej impedancji,
• poprawa jakości połączeń,
• odpowiedni podział sekcji zasilających.

Prawidłowa kompensacja mocy biernej

Kompensacja wpływa na:

• obniżenie prądów roboczych,
• odciążenie transformatorów,
• stabilność napięcia,
• poprawę ogólnych parametrów jakości energii.obniżenie kosztów energii biernej, które są naliczane przez operatorów.

W instalacjach z dużą liczbą falowników stosuje się filtry aktywne, które kompensują moc bierną dynamicznie.

Podsumowanie

Parametry jakościowe energii elektrycznej mają kluczowe znaczenie dla niezawodności pracy zakładów przemysłowych. Odkształcenia prądu i napięcia, zapady napięcia, asymetria faz czy migotanie mogą prowadzić do awarii urządzeń, zakłóceń pracy automatyki oraz wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Prawidłowa diagnostyka oraz zastosowanie odpowiednich rozwiązań – takich jak filtry aktywne i kondycjonery napięcia – pozwalają skutecznie poprawić jakość zasilania oraz zwiększyć stabilność i bezpieczeństwo pracy instalacji przemysłowych.