Harmoniczne w systemach zasilania i THD – wyjaśnienie

Na tej stronie

Harmoniczne w systemie elektroenergetycznym to składowe napięcia lub prądu, których częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami podstawowej częstotliwości sieci. W systemie 50 Hz trzecia harmoniczna wynosi 150 Hz, a piąta 250 Hz; w systemie 60 Hz wartości te wynoszą odpowiednio 180 Hz i 300 Hz. Składowe te nakładają się na falę podstawową, powodując odkształcenie przebiegu napięcia lub prądu od idealnej sinusoidy.

Całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD) sprowadza łączną zawartość harmonicznych do jednej wartości procentowej. Jest to przydatne do wstępnej oceny, analizy trendów i porównywania pomiarów, jednak sama wartość THD nie pozwala na identyfikację źródła, dominującego rzędu harmonicznej, punktu zgodności ani właściwego środka zaradczego. Rzetelna ocena musi odróżniać zniekształcenia napięcia od zniekształceń prądu, potwierdzać miejsce wykonania pomiaru, uwzględniać widmo harmonicznych oraz analizować instalację w reprezentatywnych warunkach obciążenia.

Kluczowe wnioski

Odbiorniki nieliniowe generują prąd harmoniczny, ponieważ pobierają prąd w postaci impulsów, a nie proporcjonalnie do przyłożonego napięcia.
Przepływ prądu harmonicznego przez impedancję instalacji elektrycznej powoduje odkształcenie napięcia.
THDv, THDi oraz całkowite zniekształcenie zapotrzebowania (TDD) wykorzystują różne liczniki lub wartości odniesienia i nie powinny być traktowane jako zamienne.
Norma IEEE 519 określa cele dotyczące zniekształceń napięcia i prądu w stanie ustalonym w punkcie przyłączenia użytkownika (PCC), a nie jako uniwersalny limit zaliczenia/niezaliczenia dla każdego zacisku urządzenia.
Wysoki odczyt THDi przy małym obciążeniu może być mylący, ponieważ mianownik prądu podstawowego jest mały; TDD zapewnia odniesienie oparte na zapotrzebowaniu do oceny w punkcie PCC.
Działania łagodzące powinny następować po pomiarach. Reaktory, filtry pasywne, aktywne filtry harmonicznych, prostowniki wielopulsowe oraz napędy z aktywnym układem wejściowym rozwiązują różne problemy.
Standardowa bateria kondensatorów do kompensacji mocy biernej nie jest automatycznie filtrem harmonicznych i może stwarzać ryzyko rezonansu, jeśli zostanie zastosowana bez przeprowadzenia analizy harmonicznych.

Harmoniczne, THD i TDD w skrócie

Ilość	Co opisuje	Wartość odniesienia	Najlepsze zastosowanie	Częsty błąd interpretacji
Pojedyncza harmoniczna	Wartość jednej harmonicznej, na przykład 5. rzędu	Składowa podstawowa lub inna określona wartość odniesienia	Identyfikacja dominujących źródeł i dobór filtrów	Analiza wyłącznie THD z pominięciem jednego dominującego rzędu harmonicznych
THDv	Całkowite odkształcenie napięcia harmonicznymi	Napięcie podstawowe	Ocena jakości przebiegu na szynie lub zacisku urządzenia	Stosowanie jednego limitu napięcia w każdej lokalizacji
THDi	Łączne odkształcenie harmoniczne prądu	Składowa podstawowa prądu w momencie pomiaru	Ocena obciążenia i śledzenie jego charakterystyki pracy	Porównywanie wartości THDi przy lekkim i pełnym obciążeniu bez kontekstu
TDD	Łączna wartość harmonicznych prądu w odniesieniu do prądu zapotrzebowania	Maksymalny prąd zapotrzebowania obciążenia, IL	IEEE 519-style current assessment at the PCC	Traktowanie tego jako innej nazwy dla THDi
Widmo harmonicznych	Wartość każdego zmierzonego rzędu harmonicznej	Składowa podstawowa lub odniesienie przyrządu	Diagnostyka źródła i wybór metody ograniczania	Użycie pojedynczej wartości całkowitej bez sprawdzania rzędów

Co generuje harmoniczne w instalacji elektrycznej?

Odbiornik liniowy pobiera prąd o przebiegu zasadniczo proporcjonalnym do przyłożonego napięcia. Grzejniki oporowe są prostym przykładem. Odbiornik nieliniowy zmienia impedancję w trakcie każdego cyklu lub wykorzystuje przełączanie i prostowanie, dlatego prąd jest pobierany w postaci impulsów lub poszatkowanych fragmentów. Analiza Fouriera przedstawia ten odkształcony przebieg okresowy jako składową podstawową oraz składowe harmoniczne.

Częstotliwość rzędu harmonicznej h wynosi:

fh = h x f1

gdzie:
fh = częstotliwość harmonicznej
h = rząd harmonicznej: 2, 3, 4, 5...
f1 = częstotliwość podstawowa: zazwyczaj 50 Hz lub 60 Hz

Typowe obciążenia generujące harmoniczne obejmują:

sześciopulsowe przemienniki częstotliwości (VFD) i inne obciążenia prostownikowe;
zasilacze bezprzerwowe (UPS);
impulsowe zasilacze w komputerach, serwerach i urządzeniach sterowniczych;
zasilacze LED i elektroniczne stateczniki oświetleniowe;
ładowarki akumulatorów oraz urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych;
spawalnicze urządzenia elektryczne, piece łukowe oraz inne nieliniowe procesy przemysłowe;
nasycone urządzenia magnetyczne w nienormalnych warunkach pracy.

Obciążenie zazwyczaj najpierw wprowadza prąd harmoniczny. Gdy prąd ten przepływa przez transformator, kabel, szynę zbiorczą i impedancję źródła, tworzy spadki napięć harmonicznych. Wynikowe odkształcenie napięcia może następnie wpływać na inne urządzenia podłączone do tej samej szyny. To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ wymiana wrażliwego odbiornika nie usuwa źródła problemu na poziomie instalacji elektrycznej, podczas gdy dodanie filtra w niewłaściwym miejscu szyny może przynieść niewielką poprawę.

W jaki sposób harmoniczne zniekształcają przebieg AC

Idealny przebieg sinusoidalny zawiera tylko częstotliwość podstawową. Rzeczywiste obciążenie nieliniowe może pobierać prąd podstawowy oraz składowe 3., 5., 7. i wyższego rzędu. W każdej chwili składowe te sumują się algebraicznie. Wynik może wyglądać na spłaszczony, ostro zakończony, z wycięciami lub w inny sposób zniekształcony, nawet jeśli napięcie RMS wydaje się zbliżone do wartości nominalnej.

Składowe podstawowe i harmoniczne łączące się w odkształcony przebieg fali w instalacji elektrycznej

Kształt przebiegu i widmo dostarczają różnych informacji:

Przebieg w dziedzinie czasu wykazuje wycięcia, spłaszczenia wierzchołków, wysoki współczynnik szczytu oraz charakterystykę przełączania.
Widmo w dziedzinie częstotliwości pokazuje, które rzędy harmonicznych dominują.
THD podaje wygodną wartość całkowitą, ale nie pokazuje, czy zniekształcenia dotyczą głównie 3., 5., 7. harmonicznej, czy też są rozłożone na wiele rzędów.

Dla celów projektowania układów redukcji zakłóceń widmo jest zazwyczaj bardziej użyteczne niż sama wartość całkowita.

Jak oblicza się całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD)?

THD napięcia

THD napięcia to pierwiastek z sumy kwadratów napięć harmonicznych podzielony przez napięcie podstawowe:

THDv = [sqrt(V2^2 + V3^2 + ... + Vh^2) / V1] x 100%

V1 = napięcie skuteczne (RMS) składowej podstawowej
Vh = napięcie skuteczne (RMS) harmonicznej rzędu h

THDv wskazuje, jak bardzo przebieg napięcia w punkcie pomiarowym odbiega od swojej składowej podstawowej. Wpływ na ten parametr ma prąd harmonicznych oraz impedancja między źródłem a punktem pomiarowym.

THD prądu

THD prądu wykorzystuje tę samą strukturę, ale odnosi prąd harmonicznych do prądu podstawowego mierzonego w tym samym czasie:

THDi = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / I1] x 100%

I1 = wartość skuteczna (RMS) prądu podstawowego w momencie pomiaru
Ih = wartość skuteczna (RMS) prądu harmonicznej rzędu h

Wskaźnik THDi jest przydatny przy ocenie zachowania pojedynczego odbiornika nieliniowego. Wynik może jednak gwałtownie wzrosnąć przy niewielkim obciążeniu, ponieważ I1 staje się mały, nawet jeśli bezwzględna wartość prądu harmonicznych nie znajduje się w najgorszym stanie dla instalacji elektrycznej. Zawsze notuj prąd obciążenia oraz stan pracy obok wartości THDi.

Całkowite zniekształcenie zapotrzebowania (TDD)

TDD odnosi prąd harmonicznych do wartości prądu zapotrzebowania, a nie do chwilowego prądu podstawowego:

TDD = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / IL] x 100%

IL = maksymalny prąd zapotrzebowania w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC), określony dla stosowanej metody oceny

Ten stabilniejszy mianownik sprawia, że wskaźnik TDD nadaje się do oceny relacji prądów harmonicznych obiektu do jego zapotrzebowania w punkcie PCC. Prawidłowy IL, interwał agregacji, okres obserwacji oraz współczynnik zwarciowy muszą być zgodne z odpowiednią normą i opracowaniem projektowym. Nie należy bez uzasadnienia podstawiać wartości znamionowej wyłącznika automatycznego, prądu znamionowego z tabliczki znamionowej transformatora ani wyniku doraźnego pomiaru punktowego.

Dlaczego THDv i THDi mogą świadczyć o różnych zjawiskach

Wysokie odkształcenie prądu nie oznacza automatycznie wysokiego odkształcenia napięcia. Sztywna instalacja elektryczna o niskiej impedancji źródła może absorbować znaczne prądy harmoniczne przy zachowaniu relatywnie czystego przebiegu napięcia. Słaby system lub długi odcinek zasilający o wysokiej impedancji może wykazywać większe odkształcenie napięcia przy mniejszym prądzie harmonicznym.

Warto również zwrócić uwagę na odwrotną zależność diagnostyczną:

Wysoki wskaźnik THDi w jednym odgałęzieniu przy dopuszczalnym THDv na szynie głównej często wskazuje na miejscowe obciążenie nieliniowe o ograniczonym wpływie na instalację elektryczną.
Podwyższony wskaźnik THDv w wielu odgałęzieniach sugeruje występowanie odkształceń na wspólnej szynie nadrzędnej lub stan rezonansowy.
Podwyższony wskaźnik THDv na wejściu zasilania obiektu przed uruchomieniem głównych odbiorów może wskazywać na zakłócenia pochodzące z sieci, które wymagają weryfikacji po stronie zakładu energetycznego.
Wysoki wskaźnik THDi występujący tylko w określonym trybie pracy wskazuje na źródło związane z procesem technologicznym, takie jak obciążenie napędów, przewodzenie prostowników lub praca ładowarek.

Jakie problemy mogą powodować wyższe harmoniczne?

Wyższe harmoniczne nie wywołują jednego uniwersalnego objawu. Ich wpływ zależy od rzędu harmonicznej, amplitudy, impedancji instalacji, profilu obciążenia, układu uziemienia, rezonansu oraz konstrukcji urządzeń.

Dodatkowe nagrzewanie się przewodów, szynoprzewodów i transformatorów

Prąd harmoniczny zwiększa całkowitą wartość prądu RMS, a tym samym powoduje nagrzewanie się przewodów. Składowe o wyższej częstotliwości zwiększają również straty wywołane prądami wirowymi oraz zjawiskiem naskórkowości w elementach magnetycznych i przewodzących. Transformatory zasilające znaczne obciążenia nieliniowe mogą wykazywać dodatkowe straty w uzwojeniach i straty rozproszeniowe, nawet jeśli średnie zapotrzebowanie na moc w kW wydaje się być w normie.

Połączenia, w których występuje już podwyższona rezystancja, są szczególnie narażone, ponieważ zniekształcony prąd RMS przyczynia się do I²R ich nagrzewania. Metody diagnostyczne zawarte w przewodniku VIOX dotyczącym przegrzewanie się listwy zaciskowej pomagają odróżnić obciążenie harmonicznymi od luźnych lub zdegradowanych połączeń.

Przegrzewanie się przewodu neutralnego

W zrównoważonym układzie trójfazowym czteroprzewodowym prądy podstawowe podobnych obciążeń jednofazowych w dużej mierze znoszą się w przewodzie neutralnym. Harmoniczne potrojone, w tym 3., 9. i 15., są składowymi zerowymi i mogą sumować się w przewodzie neutralnym, zamiast się znosić. Zatem zrównoważony odczyt prądu fazowego nie gwarantuje niskiego prądu w przewodzie neutralnym.

Obciążenie przewodu neutralnego należy mierzyć bezpośrednio tam, gdzie skoncentrowane są elektroniczne obciążenia jednofazowe. Nie należy mylić funkcji przewodzenia prądu przez przewód neutralny ze ścieżką przewodu ochronnego; rozróżnienie to wyjaśniono w szyna neutralna a szyna uziemiająca.

Straty w silniku, pulsacja momentu obrotowego i hałas

Harmoniczne napięcia tworzą wirujące pola magnetyczne o różnych prędkościach i kierunkach. W silnikach indukcyjnych niektóre sekwencje harmonicznych działają przeciwnie do podstawowego pola wirującego, podczas gdy inne wzmacniają jego kierunek przy różnych prędkościach synchronicznych. Skutkiem mogą być dodatkowe straty w miedzi i żelazie, pulsacja momentu obrotowego, wibracje, hałas słyszalny oraz zmniejszony użyteczny margines termiczny.

W przypadku stosowania napędów należy odseparować harmoniczne linii po stronie wejściowej od obciążenia napięciowego PWM po stronie wyjściowej. Dławik sieciowy lub wejściowy filtr harmonicznych rozwiązuje inny problem niż dławik wyjściowy, filtr sinusoidalny lub dV/dt filtr. Przewodnik VIOX’s porównujący VFD i softstart zapewnia szerszy kontekst sterowania silnikiem.

Przeciążenie kondensatorów i rezonans

Kondensatory do kompensacji mocy biernej redukują zapotrzebowanie na moc bierną przy częstotliwości podstawowej, jednak ich impedancja maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. W połączeniu z indukcyjnością instalacji mogą one wywołać rezonans równoległy lub szeregowy w pobliżu istniejącego rzędu harmonicznej. Skutkiem może być wzmocnienie napięcia lub prądu harmonicznego oraz przeciążenie kondensatorów, dławików, transformatorów lub łączników.

Dlatego konwencjonalna bateria kondensatorów nie powinna być przedstawiana jako uniwersalne lekarstwo na harmoniczne. W miejscach, gdzie zawartość harmonicznych jest znaczna, projekt może wymagać zastosowania dławików detuningowych, dostrojonego filtra pasywnego, aktywnego filtra harmonicznych lub innego rozwiązania inżynieryjnego. Cel oraz ograniczenia automatycznej kompensacji mocy biernej zostały omówione w Pełna nazwa i działanie APFC.

Uciążliwe wyzwalanie i awarie elektroniki

Zniekształcone przebiegi mogą zwiększać prąd szczytowy, zmieniać punkty przejścia przez zero, powodować dodatkowe nagrzewanie oraz zakłócać działanie urządzeń, które zakładają zasilanie zbliżone do sinusoidalnego. Możliwe objawy to niewyjaśnione zadziałania urządzeń zabezpieczających, alarmy stopni kondensatorowych, hałas transformatora, resetowanie układów sterowania, nieprawidłowe odczyty z nieodpowiednich przyrządów oraz skrócenie żywotności sprzętu.

Objawy te nie są dowodem występowania harmonicznych. Luźne przewody, niesymetria napięć, stany przejściowe, przeciążenie, zakłócenia elektromagnetyczne oraz nieprawidłowe ustawienia mogą dawać podobne efekty. Przed wyborem rozwiązania wymagany jest pomiar.

Gdzie i jak należy mierzyć harmoniczne?

Plan pomiarowy powinien odpowiadać na określone pytanie: zgodność w punkcie PCC, diagnostyka usterek urządzeń, identyfikacja źródła, planowanie obciążalności lub weryfikacja po zastosowaniu środków zaradczych. Pojedynczy pomiar rzadko odpowiada na wszystkie pięć pytań.

1. Zdefiniuj granice pomiarowe

W przypadku oceny na poziomie zakładu zgodnie z IEEE 519, należy zidentyfikować umowny lub techniczny punkt PCC. W celach diagnostyki wewnętrznej należy również przeprowadzić pomiary w punktach przyłączenia wewnątrz zakładu, na głównej szynie rozdzielczej, na podejrzanym obwodzie zasilającym oraz w miarę potrzeb na zaciskach odbiorczych. Należy udokumentować schemat jednokreskowy oraz lokalizację każdego odczytu.

2. Użyj odpowiednich przyrządów pomiarowych

Użyj analizatora jakości energii zdolnego do jednoczesnego pomiaru napięcia i prądu w układzie trójfazowym, rejestracji widma harmonicznych, THDv, THDi, TDD tam, gdzie jest to wymagane, rejestrowania zdarzeń oraz pomiaru prądu w przewodzie neutralnym dla układów czterożyłowych. Norma IEC 61000-4-7 określa wymagania dotyczące przyrządów do pomiaru harmonicznych i międzyharmonicznych, podczas gdy IEC 61000-4-30 definiuje metody oraz klasy pomiaru jakości energii.

Podstawowy miernik reagujący na wartość średnią nie jest wystarczający do diagnozowania odkształconych przebiegów. Miernik z funkcją True-RMS może poprawić dokładność pomiaru prądu i napięcia RMS, ale zazwyczaj nie zastępuje analizatora jakości energii w zakresie analizy rzędów harmonicznych, trendów, kierunku przepływu oraz zgodności z normami.

3. Rejestracja reprezentatywnych warunków pracy

Rejestruj pomiary w różnych stanach pracy, zamiast polegać na pojedynczym odczycie:

minimalne, normalne i maksymalne obciążenie obiektu;
przyspieszanie napędu, praca ustalona i praca z niską prędkością;
tryby pracy zasilacza UPS lub ładowarki;
stopnie baterii kondensatorów załączane i wyłączane;
praca generatora i sieci, gdy obie opcje są możliwe;
cykle produkcyjne związane z reklamacjami lub przegrzewaniem się.

4. Rejestruj kontekst dla każdej wartości THD

Co najmniej zarejestruj:

miejsce pomiaru i konfigurację instalacji elektrycznej;
napięcie międzyfazowe i międzyfazowe-przewód neutralny, w stosownych przypadkach;
wartość skuteczną (RMS) prądu fazowego i prądu w przewodzie neutralnym;
THDv, THDi oraz TDD, jeśli mają zastosowanie;
widmo poszczególnych harmonicznych oraz wartości fazowe;
kW, kVA, kvar, współczynnik mocy oraz stan obciążenia;
status transformatora źródłowego, przewodu oraz baterii kondensatorów;
znacznik czasu oraz interwał rejestracji.

5. Systematyczne śledzenie źródła

Rozpocznij w punkcie pomiarowym i porównaj odczyty przed i za punktem pomiarowym (upstream i downstream). Jeśli zniekształcenie gwałtownie rośnie po załączeniu jednego z odpływów, kontynuuj sprawdzanie w kierunku tej gałęzi. Jeśli kilka odpływów wykazuje podobne zniekształcenie napięcia, zbadaj wspólną szynę zbiorczą, rezonans kondensatorów lub źródło zasilania znajdujące się powyżej.

Ścieżka pomiarowa od odbiornika nieliniowego przez rozdzielnicę oddziałową i szynę główną do punktu wspólnego przyłączenia

Prawidłowa kolejność to mierzyć, lokalizować, modelować, ograniczać i weryfikować. Instalacja filtra przed ustaleniem tej wartości odniesienia może zamaskować jeden objaw, pozostawiając rzeczywiste źródło lub rezonans bez zmian.

Jak normy odnoszą się do harmonicznych

Odniesienie	Podstawowa rola	Praktyczna granica
IEEE 519-2022	Cele dotyczące odkształceń napięcia i prądu w instalacji elektrycznej	Stosowane w punkcie przyłączenia użytkownika (PCC) w określonych warunkach stanu ustalonego; limity prądowe zależą od kontekstu instalacji elektrycznej, w tym od mocy zwarciowej w stosunku do zapotrzebowania
IEC 61000-4-7	Przyrządy do pomiaru harmonicznych i interharmonicznych	Określa sposób grupowania i pomiaru składowych widmowych dla oceny urządzeń oraz systemu zasilania
IEC 61000-4-30:2025	Metody pomiaru jakości energii elektrycznej in-situ	Określa powtarzalne metody oraz podejścia klasy A/klasy S dla parametrów obejmujących harmoniczne napięcia i prądu
IEC 61000-2-4:2024	Poziomy kompatybilności w przemysłowych systemach dystrybucji energii	Ma zastosowanie w zakładowym punkcie połączenia i dzieli przemysłowe środowiska elektromagnetyczne na zdefiniowane klasy
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-12	Limity emisji prądów harmonicznych dla określonych kategorii urządzeń	Normy na poziomie urządzeń z określonym zakresem; nie stanowią one substytutu pełnej oceny PCC dla całego obiektu

Trzy zasady pozwalają uniknąć większości błędów związanych z normami:

Potwierdź punkt oceny. Limit w punkcie PCC nie jest automatycznie limitem na wejściu VFD lub w zdalnej rozdzielnicy obwodowej.
Potwierdź mianownik i metodę uśredniania. THDi i TDD mogą dawać bardzo różne wartości procentowe przy tym samym widmie prądu.
Należy potwierdzić obowiązujące wydanie oraz zakres urządzeń. Wymagania zakładu energetycznego, specyfikacje projektowe, regionalne kodeksy sieciowe oraz normy produktowe mogą nakładać obowiązki wykraczające poza ogólny przewodnik.

Jaką metodę ograniczania wyższych harmonicznych należy zastosować?

Nie istnieje jeden uniwersalny, najlepszy filtr. Wybór metody należy uzależnić od widma źródła, zmienności obciążenia, impedancji instalacji elektrycznej, wymaganej wydajności, dostępnej przestrzeni, strat, możliwości serwisowych oraz przyszłej rozbudowy.

Sytuacja	Opcje ograniczania do oceny	Zagadnienia inżynierskie
Jeden konwencjonalny napęd sześciopulsowy	Dławik sieciowy AC, dławik DC, pasywny filtr harmonicznych, napęd o niskiej emisji harmonicznych lub napęd z aktywnym układem prostowniczym (AFE)	Wymagana redukcja, zakres obciążenia, spadek napięcia, sprawność, zajmowana powierzchnia, układ obejściowy
Kilka obciążeń nieliniowych o zmiennym zapotrzebowaniu	Centralny lub rozproszony aktywny filtr wyższych harmonicznych	Lokalizacja przekładników prądowych (CT), prąd kompensacji, rzędy harmonicznych, współczynnik jednoczesności obciążenia, rezerwa na rozbudowę
Stabilne dominujące rzędy harmonicznych	Strojony lub szerokopasmowy filtr pasywny	Impedancja sieci, tolerancja strojenia, obciążenie kondensatorów, rezonans, praca z generatorem
Kompensacja mocy biernej w sieci z odkształceniami	Dławiona bateria kondensatorów lub zaprojektowany zestaw filtrów	Istniejące widmo, częstotliwość rezonansowa, prąd kondensatora, cykl łączeniowy, nastawy sterownika
Wysoki prąd harmonicznych potrójnych w układzie czteroprzewodowym	Ograniczenie emisji źródłowych, redystrybucja obciążeń, zastosowanie odpowiedniego filtrowania oraz weryfikacja konstrukcji przewodu neutralnego/transformatora	Pomiar prądu w przewodzie neutralnym, obciążalność prądowa przewodu, przydatność transformatora, przyszłe obciążenia elektroniczne
Nowy projekt z dużym zapotrzebowaniem na prostowniki	Prostownik wielopulsowy, transformator przesuwnikowy, aktywny układ wejściowy (AFE) lub określony sprzęt o niskiej zawartości harmonicznych	Moc źródła, redundancja, złożoność transformatora, koszt cyklu życia, cel zgodności
Istniejące urządzenia już się przegrzewają	Redukcja obciążenia i kontrola ryzyka termicznego przed trwałym rozwiązaniem problemu	Badanie harmonicznych, inspekcja połączeń, wentylacja, stan przewodów i transformatora

Dławiki sieciowe i dławiki DC

Dławiki zwiększają impedancję i wygładzają prąd pobierany przez odbiorniki prostownikowe. Są one stosunkowo proste i wytrzymałe, ale ich skuteczność zależy od impedancji źródła i konstrukcji napędu. Redukują one, a nie eliminują prąd harmonicznych, oraz wprowadzają spadek napięcia i straty.

Pasywne filtry harmonicznych

Filtry pasywne łączą cewki indukcyjne i kondensatory, zapewniając ścieżkę o niskiej impedancji dla wybranych częstotliwości harmonicznych lub tłumienia szerokopasmowego. Mogą być skuteczne w przypadku stabilnych i przewidywalnych obciążeń, ale muszą być zaprojektowane pod kątem konkretnej sieci. Wymagają przeglądu pod kątem dostrojenia, tolerancji komponentów, zmian obciążenia oraz interakcji z generatorami lub innymi bateriami kondensatorów.

Aktywne filtry harmonicznych

Aktywny filtr wyższych harmonicznych mierzy zniekształcenia i wprowadza prąd kompensujący. Lepiej przystosowuje się on do zmieniających się profili obciążenia i może celować w wiele rzędów harmonicznych, jednakże należy określić jego wydajność prądową, układ przekładników prądowych (CT), czas reakcji, obudowę, straty oraz cele sterowania.

Napędy o niskim poziomie harmonicznych i aktywne układy wejściowe (AFE)

Architektury napędów o niskim poziomie harmonicznych redukują zniekształcenia u źródła, zamiast kompensować je dla kilku odbiorników na wspólnej szynie zbiorczej. Mogą one uprościć nową instalację elektryczną, ale wpływają na koszt, zajmowaną przestrzeń, straty, kompatybilność elektromagnetyczną oraz strategię konserwacji. Możliwość pracy zwrotnej oraz niski poziom zniekształceń harmonicznych to odrębne wymagania, nawet jeśli jeden produkt oferuje obie te funkcje.

Praktyczny przebieg analizy harmonicznych

Określ przyczynę zgłoszenia oraz zakres analizy. Zidentyfikuj przegrzewanie się, uciążliwe zadziałania zabezpieczeń, kwestie zgodności z normami, rozbudowę instalacji lub awarię sprzętu jako główny problem.
Przejrzyj schemat jednokreskowy oraz wykaz obciążeń. Oznacz obciążenia nieliniowe, baterie kondensatorów, generatory, transformatory oraz długie linie zasilające.
Ustal punkt odniesienia w PCC lub na głównej szynie zbiorczej. Rejestruj napięcie, prąd, zapotrzebowanie, THD/TDD oraz widmo harmonicznych.
Śledź dominujące rzędy w kierunku odbiorów końcowych. Porównuj zmiany w miarę cyklicznej pracy głównych odbiorów.
Sprawdź rezonans i impedancję instalacji elektrycznej. Uwzględnij w analizie dane transformatora oraz baterii kondensatorów.
Wybierz kandydata do działań ograniczających. Porównaj metody ograniczania u źródła, filtrację pasywną, filtrację aktywną oraz środki zwiększające wytrzymałość urządzeń.
Oczekiwana wydajność modelu. Sprawdzić stany pracy: normalny, minimalny, maksymalny, zasilanie sieciowe oraz z generatora.
Wdrożyć wraz z układami zabezpieczeń i projektem termicznym. Dobrać przewody, aparaturę łączeniową, wentylację oraz zabezpieczenia filtrów.
Powtórzyć pierwotne pomiary. Zweryfikować poprawę w tych samych lokalizacjach i przy porównywalnych stanach obciążenia.

Najczęstsze błędy w ocenie harmonicznych

Traktowanie każdego odsetka THD jako tej samej wartości

Zawsze oznaczaj wartość jako THDv, THDi lub TDD i rejestruj jej mianownik. Wartość procentowa bez określonej wielkości mierzonej i lokalizacji jest daną niekompletną.

Pomiary tylko przy odbiorniku nieliniowym

Pomiar na zacisku odbiornika opisuje ten odbiornik, ale nie określa zgodności instalacji ani wpływu na punkt wspólnego przyłączenia (PCC). W razie potrzeby wykonaj pomiary w obu miejscach.

Stosowanie THD bez widma harmonicznych

Dwa układy mogą mieć ten sam wskaźnik THD, ale wymagać różnych metod ograniczania zakłóceń ze względu na różnice w dominujących rzędach harmonicznych. Zachowaj dane dotyczące poszczególnych harmonicznych.

Instalowanie kondensatorów bez sprawdzenia rezonansu

Kondensatory mogą przesunąć rezonans sieci w stronę istniejącej harmonicznej. Przed dodaniem lub rozbudową układu kompensacji mocy biernej sprawdź zawartość harmonicznych i impedancję.

Zakładanie, że SPD usuwa harmoniczne

Ogranicznik przepięć SPD ogranicza przepięcia przejściowe zgodnie ze swoją konstrukcją; nie filtruje on w sposób ciągły harmonicznych niskiego rzędu o częstotliwości sieciowej. Harmoniczne i przepięcia wymagają odmiennych ocen i środków ochrony. W kwestii granicy ochrony przed przepięciami przejściowymi patrz co robi ogranicznik przepięć.

Traktowanie większego przewodu neutralnego lub transformatora jako metody ograniczania u źródła

Urządzenia odporne termicznie mogą lepiej znosić obciążenia harmonicznymi, ale niekoniecznie redukuje to wprowadzanie harmonicznych lub zniekształcenia napięcia. Należy oddzielić środki wytrzymałościowe od redukcji emisji.

Pytania i odpowiedzi

Jaka jest różnica między harmonicznymi a THD?

Harmoniczne to poszczególne składowe częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. THD to jeden procent wyrażający wartość skuteczną sumy kwadratów tych składowych harmonicznych w odniesieniu do określonej wartości referencyjnej.

Czy THD mierzy się dla napięcia czy prądu?

Można je mierzyć dla obu wielkości. THDv opisuje zniekształcenie przebiegu napięcia, podczas gdy THDi opisuje zniekształcenie przebiegu prądu. Należy określić, o jaką wielkość chodzi, ponieważ przyczyny, limity i interpretacja są różne.

Dlaczego THD prądu może wyglądać na bardzo wysokie przy lekkim obciążeniu?

THDi dzieli prąd harmonicznych przez chwilową wartość prądu podstawowego. Przy małym obciążeniu mianownik składowej podstawowej staje się mały, więc wartość procentowa może wzrosnąć, nawet jeśli bezwzględna wartość prądu harmonicznych nie uległa zwiększeniu. Należy sprawdzić wartość prądu, widmo oraz, jeśli dotyczy, wskaźnik TDD.

Jaka jest różnica między THDi a TDD?

THDi odnosi prąd harmonicznych do prądu podstawowego w chwili pomiaru. TDD odnosi go do zdefiniowanego maksymalnego prądu obciążenia. Z tego powodu TDD jest bardziej stabilnym wskaźnikiem przy ocenie punktu przyłączenia (PCC) w zmiennych warunkach obciążenia.

Czy harmoniczne zawsze zwiększają prąd w przewodzie neutralnym?

Nie w każdej instalacji elektrycznej. Problem jest najpoważniejszy w układach trójfazowych czteroprzewodowych zasilających wiele jednofazowych odbiorników nieliniowych, gdzie harmoniczne rzędu potrojonego mogą sumować się w przewodzie neutralnym. Należy dokonać bezpośredniego pomiaru prądu w przewodzie neutralnym, zamiast zakładać jego kompensację.

Czy bateria kondensatorów może zmniejszyć THD?

Tylko wtedy, gdy jest zaprojektowana jako element systemu filtracji harmonicznych lub układu kompensacji dławikowej. Standardowa bateria kondensatorów może nie zmniejszyć THD, a w przypadku wystąpienia rezonansu z indukcyjnością instalacji elektrycznej może doprowadzić do wzmocnienia odkształceń.

Czy ogranicznik przepięć (SPD) filtruje harmoniczne?

Nie. SPD służy do ochrony przed przepięciami przejściowymi. Harmoniczne to składowe przebiegu o charakterze ustalonym lub powtarzalnym, które wymagają redukcji u źródła, stosowania dławików, filtrów harmonicznych lub innych środków poprawy jakości energii.

Gdzie należy przeprowadzać pomiary zgodnie z IEEE 519?

Norma IEEE 519 określa docelowe poziomy odkształceń w stanie ustalonym w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC) użytkownika. Rzeczywisty punkt PCC należy określić na podstawie układu zasilania i projektu, a nie zakładać, że jest nim każdy zacisk urządzenia.

Jaki przyrząd jest potrzebny do pomiaru THD?

Należy użyć analizatora jakości energii odpowiedniego do celu oceny, zdolnego do rejestracji napięcia i prądu trójfazowego, widma harmonicznych, THD oraz, w razie potrzeby, TDD. Multimetr z funkcją true-RMS jest przydatny do uzyskania dokładnych wartości RMS przy przebiegach odkształconych, ale zazwyczaj nie pozwala na przeprowadzenie pełnej analizy harmonicznych.

Wnioski

Ocena harmonicznych nie polega na poszukiwaniu jednej akceptowalnej wartości THD. Jest to ustrukturyzowane badanie składowych przebiegu, lokalizacji pomiaru, mocy zwarciowej instalacji, charakterystyki obciążeń oraz wzajemnego oddziaływania urządzeń.

Należy zacząć od rozróżnienia THDv, THDi i TDD. Pomiary należy wykonywać w odpowiednim punkcie granicznym w reprezentatywnych warunkach pracy, zachowując widmo poszczególnych harmonicznych i śledząc dominujące rzędy w kierunku ich źródeł. Następnie należy dobrać metodę ograniczania dostosowaną do sieci: dławiki dla zapewnienia impedancji i wygładzania przebiegu, filtry pasywne dla przewidywalnych widm, filtry aktywne dla zmiennych obciążeń lub urządzenia o niskiej zawartości harmonicznych, jeśli decyzja o redukcji u źródła jest korzystniejsza dla danej instalacji elektrycznej.

Dla producentów rozdzielnic i OEM najważniejszą specyfikacją nie jest po prostu “niskie THD”. Jest to zdefiniowany wymóg wydajności powiązany z punktem PCC lub zaciskiem urządzenia, zakresem obciążenia roboczego, obowiązującą normą, metodą pomiaru oraz procedurą weryfikacji.