JakoϾ zasilania - poradnik

Harmoniczne

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

0

20

40

60

80

100

1

3

5

7

9

11

13

15

17

Harmonic number

% Magnitude

Degrees

Current (A)

H

armoniczne

3.1

Harmoniczne

Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik

Towarzystwo Rozwoju Miedzi

Marzec 2001

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. (PCPM S.A.)
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. jest organizacj¹ non-profit, finansowan¹ przez dostawców miedzi oraz producentów pragn¹cych za-

chêciæ odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promuj¹cych ich prawid³owe i efektywne zastosowanie. Dzia³alnoœæ Centrum obej-

muje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy s¹ zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach.

Centrum równie¿ zapewnia ³¹cznoœæ miêdzy jednostkami badawczymi a przemys³em wykorzystuj¹cym miedŸ w produkcji oraz utrzymuje

blisk¹ ³¹cznoœæ z innymi organizacjami zajmuj¹cymi siê rozwojem miedzi na ca³ym œwiecie.

Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spó³k¹ joint venture Miêdzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dziêki swoim
cz³onkom, zajmuje siê w imieniu najwiêkszych producentów miedzi na œwiecie i czo³owych europejskich producentów - promocj¹ miedzi w
Europie. Powsta³y w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dziêki sieci dziesiêciu Towarzystw Rozwoju Miedzi
(CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Wêgrzech, we W³oszech, w Polsce, Skandynawii,Hiszpanii i Wielkiej Bry-
tanii. Towarzystwo rozwija swoj¹ dzia³alnoœæ podjêt¹ przez CDA powsta³¹ w 1959 roku oraz dziêki INCRA (Miêdzynarodowemu Towarzy-
stwu Badañ Miedzi) powsta³emu w 1961 roku.

Zrzeczenie siê odpowiedzialnoœci
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. oraz Europejski Instytut Miedzi zrzekaj¹ siê wszelkiej odpowiedzialnoœci za bezpoœrednie b¹dŸ po-
œrednie skutki jak równie¿ nieprzewidziane szkody, które mog¹ byæ poniesione w wyniku u¿ycia informacji lub nieumiejêtnego u¿ycia infor-
macji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.

Copyright© Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

Reprodukcja materia³u zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w ca³oœci i podania jej Ÿród³a.

European Copper Institute

168 Avenue de Tervueren

B-1150 Brussels

Belgium
Tel:

00 32 2 777 70 70

Fax:

00 32 2 777 70 79

Email:

[e-mail]

Website:

www.eurocopper.org

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

50-136 Wroc³aw

pl. 1 Maja 1-2

Polska
Tel:

00 48 71 78 12 502

Fax:

00 48 71 78 12 504

e-mail:

[e-mail]

Website: www.miedz.org.pl

Harmoniczne

Rys. 2. Zniekszta³cony przebieg fali pr¹du.

Rys. 1. Sk³adowa podstawowa z trzeci¹ i pi¹t¹ harmoniczn¹.

1

Przyczyny powstawania i skutki dzialania harmonicznych

Ponizsza czesc poradnika omawia zródlo po-
wstawania harmonicznych pradu i skutki, ja-
kie one wywoluja w systemach elektrycz-
nych. Metody redukcji harmonicznych sa
omówione w czesci "Rozwiazania proble-
mów harmonicznych".

Czestotliwosci harmoniczne to calkowite
wielokrotnosci czestotliwosci podstawowej,
na przyklad dla skladowej podstawowej o
czestotliwosci 50Hz trzecia harmoniczna
wynosilaby 150Hz, a piata 250Hz. Rys. 1
przedstawia przebieg sinusoidalny skladowej
podstawowej z trzecia i piata harmoniczna.

Rys. 2 przedstawia skladowa podstawowa z
70% trzeciej i 50% piatej harmonicznej. Na-
lezy zauwazyc, ze w praktyce przebieg wiek-
szosci odksztalconych przebiegów pradu jest
o wiele bardziej zlozony niz w tym przykla-
dzie z o wiele wieksza iloscia harmonicz-
nych i bardziej zlozona zaleznoscia fazowa.

Ten ksztalt przebiegu wyraznie rózni sie od
ksztaltu sinusoidy, a to oznacza, ze wskaza-
nia standardowych urzadzen pomiarowych,
takich jak kalibrowany miernik wielofunk-
cyjny do pomiarów sredniej wartosci sku-
tecznej (RMS), beda niedokladne. Nalezy
równiez zauwazyc, ze jest szesc punktów
przeciecia osi czasu w pojedynczym cyklu
zamiast dwóch, a zatem kazdy przyrzad wy-
korzystujacy przejscie przez zero jako odnie-
sienie bedzie funkcjonowal nieprawidlowo.
Ksztalt przebiegu obejmuje niepodstawowe
czestotliwosci i musi byc prawidlowo anali-
zowany.

Mówiac o harmonicznych w instalacjach zasilania trzeba podkreslic, ze harmoniczne pradów sa najwiekszym proble-
mem, poniewaz harmoniczne powstaja jako prady i to one wywoluja wiekszosc negatywnych skutków. Nie mozna
wyciagnac zadnych przydatnych wniosków bez znajomosci spektrum harmonicznych pradu, ale latwo znalezc dane
dotyczace lacznego odksztalcenia harmonicznego (THD). Podczas rozprzestrzeniania sie harmonicznych w systemie
dystrybucji mocy, to znaczy do obwodów odgaleznych niezwiazanych z generowanymi harmonicznymi, skladowe
harmoniczne rozprzestrzeniaja sie jako harmoniczne napiecia. Wazne jest, aby mierzyc zarówno wartosc napiecia jak i
pradu i podawac te wartosci wyraznie zaznaczajac wartosc napiecia lub wartosc pradu. Dla wygody zmierzona wartosc
znieksztalcenia pradu jest oznaczana sufiksem 'I', na przyklad 35% THDI, a wartosc odksztalcenia napiecia sufiksem
'V', na przyklad 4% THDV.

Harmoniczne pradu zawsze byly obecne w systemach zasilania. Najpierw generowaly je prostowniki rteciowe stoso-
wane do zamiany pradu przemiennego na prad staly przy elektryfikacji kolei, oraz w napedach bezstopniowych w
przemysle. Ostatnio rodzaje oraz ilosc urzadzen wywolujacych harmoniczne wzrosla tak bardzo, a nalezy oczekiwac
dalszego ich wzrostu, ze konstruktorzy i specjalisci musza obecnie bardzo dokladnie badac harmoniczne i ich skutki
uboczne.

Ponizsza czesc poradnika opisuje sposób i przyczyny powstawania harmonicznych, jaki jest ich wplyw na systemy
elektryczne i urzadzenia oraz jak zminimalizowac ten wplyw.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys. 3. Spektrum harmoniczne typowego komputera osobistego (PC).

2

Urzadzenia generujace harmoniczne

Wszystkie obciazenia nieliniowe wywoluja prady obciazone harmonicznymi. Obejmuja one obciazenia jednofazowe, na
przyklad:

♦

zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)

♦

stateczniki

♦

male systemy zasilania bezprzerwowego (UPS)

Obciazenia trójfazowe, na przyklad:

♦

napedy bezstopniowe

♦

duze systemy zasilania bezprzerwowego (UPS)

Obciazenia jednofazowe

Zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)

Wiekszosc nowoczesnych urzadzen elektronicznych stosuje zasilacze z przetwarzaniem energii tzw. impulsowe
(SMPS). Róznia sie one od starszych urzadzen tym, ze klasyczny transformator obnizajacy napiecie i prostownik sa
zastapione przez sterowane bezposrednio prostowanie pradu zasilajacego i ladowanie kondensatora zbiorczego, z któ-
rego jest pobierany prad staly przez odbiornik metoda odpowiednia do wymaganego napiecia wyjsciowego i pradu.

Zaleta - dla producentów sprzetu - jest to, ze
rozmiary, koszty i waga sa znacznie zmniej-
szone a generowana moc moze posiadac pra-
wie kazdy wymagany wspólczynnik ksztaltu.
Wada - dla kazdego oprócz producentów
sprzetu - jest to, ze zamiast zasilania ciaglego
z sieci, zasilacz pobiera impulsy pradu zawie-
rajace duze ilosci trzecich i wyzszych harmo-
nicznych oraz skladowe wysokich czestotli-
wosci (patrz Rys. 3). Prosty filtr jest monto-
wany na wejsciu zasilania, aby odprowadzic
skladowe wysokich czestotliwosci z prze-
wodu roboczego i neutralnego do uziemienia,
ale nie wplywa to na prady harmoniczne ply-
nace z powrotem do sieci. Wplyw pradów
uplywu tych filtrów omówiono w czesci 6.

Jednofazowe systemy zasilania bezprzerwo-
wego (UPS) wykazuja parametry bardzo po-
dobne do zasilaczy z przetwarzaniem energii
(SMPS).

Przy jednostkach duzej mocy ostatnio stosuje sie tak zwane funkcje poprawiania wspólczynnika mocy, aby obciazenie
wygladalo jak obciazenie rezystancyjne a prad wejsciowy mial ksztalt sinusoidalny i byl w fazie z napieciem. Mozna to
osiagnac wykorzystujac prad wejsciowy jako przebieg o wysokiej czestotliwosci w ksztalcie trójkata, który jest wygla-
dzany przez filtr do ksztaltu sinusoidalnego. To dodatkowe rozwiazanie nie jest jeszcze w pelni gotowe do zastosowa-
nia przy tanszych jednostkach, które stanowia wiekszosc obciazenia w instalacjach komercyjnych i przemyslowych.
Pozostaje niewiadoma, jakie problemy moga sie pojawic w przyszlosci przy zastosowaniu na szeroka skale takiego
rozwiazania.

Stateczniki

W ostatnich latach popularne stalo sie zastosowanie elektronicznych urzadzen stabilizujaco zaplonowych tzw. statecz-
ników elektronicznych, wychodzac naprzeciw zadaniom lepszej efektywnosci energetycznej. Ogólnie mówiac sa one
niewiele bardziej sprawne niz najlepsze stateczniki magnetyczne i w rzeczywistosci ta lepsza sprawnosc przypisywana
jest temu, ze lampa jest bardziej wydajna, kiedy jest zasilana jest przy wyzszych czestotliwosciach, a nie samemu elek-
tronicznemu statecznikowi. Glówna zaleta elektronicznych stateczników jest mozliwosc utrzymania wydajnosci swietl-
nej przez dluzszy okres przy uzyciu sterowania zwrotnego pradem – w praktyce w sposób zmniejszajacy efektywnosc

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys. 4. Spektrum harmoniczne typowej kompaktowej lampy fluorescencyjnej

(CFL)

Rys. 5 - Mostek trójfazowy (6-pulsowy)

Rys. 6. Spektrum harmoniczne typowego mostka 6-pulsowego

3

energetyczna lampy z wiekiem. Duza ich
wada jest to, ze wytwarzaja harmoniczne w
pradzie wejsciowym. Istnieja tak zwane
lampy o poprawionym wspólczynniku
mocy o wyzszych parametrach znamiono-
wych, które zmniejszaja problemy z har-
monicznymi, ale kosztuja one znacznie
wiecej. Wspólczynnik mocy w mniejszych
jednostkach nie jest zwykle korygowany.

Obecnie sprzedawane kompaktowe lampy
fluorescencyjne tzw. swietlówki kompak-
towe (CFL) zastepuja zarówki z zarnikiem
wolframowym. Miniaturowy statecznik
elektroniczny zamontowany w obudowie
steruje zasilaniem rurki fluorescencyjnej o
srednicy 8 milimetrów. Kompaktowe
lampy fluorescencyjne o mocy 11W odpo-
wiadaja zarówkom o mocy 60W a ich okres
eksploatacji wynosi 8000 godzin. Spektrum
harmonicznych pradu jest przedstawione na
Rys. 4. Lampy te coraz czesciej zastepuja
tradycyjne zarówki w mieszkaniach, a
szczególnie w hotelach gdzie powazne pro-
blemy z harmonicznymi staja sie po-
wszechne.

Obciazenia trójfazowe

Budowa sterowników napedów bezstop-
niowych, systemów zasilania bezprzerwo-
wego (UPS) i przetwornic zwykle opiera
sie na mostku trójfazowym, zwanym rów-
niez mostkiem 6-pulsowym ze wzgledu na
szesc pulsów w jednym okresie (jeden na
pólokres na faze) na wyjsciu pradu stalego.

Mostek 6-pulsowy wytwarza harmoniczne
6-go rzedu +/– 1, to znaczy o jeden rzad
wiecej lub mniej od wielokrotnosci 6. W
teorii wartosc kazdej harmonicznej jest
odwrotna wartoscia rzedu harmonicznej,
tak ze byloby 20% piatej harmonicznej i
9% jedenastej, itd.

Rys. 6 przedstawia typowe spektrum.

Zastosowanie mostka 12-pulsowego znacz-
nie zmniejsza wartosc harmonicznych. Taki
skutek przynosi zastosowanie dwóch most-
ków 6-pulsowych zasilanych transformato-
rem z uzwojeniem gwiazda trójkat, tworzac
30-stopniowe przesuniecie fazowe miedzy
nimi.

Harmoniczne 6-go rzedu sa teoretycznie
usuniete, ale w praktyce wielkosc ich re-
dukcji zalezy od dopasowaniu przetworni-
ków i zwykle wynosi 20 - 50%. Harmo-
niczne 12-go rzedu pozostaja niezmienione.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys. 8. Spektrum harmoniczne typowego mostka 12-pulsowego.

Rys. 7. Mostek 12-pulsowy

Rys. 9. Kszta³t fali pr¹du w obci¹¿eniu liniowym.

4

Redukcji ulega nie tylko caly prad harmo-
niczny, ale równiez harmoniczne wyzszego
rzedu, co sprawia, ze konstrukcja filtra jest
o wiele latwiejsza.

Producenci sprzetu czesto staraja sie zredu-
kowac wielkosci pradów harmonicznych,
dodajac filtr lub szeregowe cewki induk-
cyjne. Doprowadzilo to do tego, ze produ-
cenci zaczeli twierdzic, ze ich sprzet spel-
nia standardy ‘G5/3’. Poniewaz G5/3 jest
standardem stosowanym przy calej instala-
cji, nie mozna stwierdzic, ze zostal spel-
niony bez znajomosci kazdego urzadzenia
w zakladzie.

Dalszy wzrost liczby pulsów do 24 uzy-
skany dzieki zastosowaniu dwóch równo-
leglych 12-pulsowych jednostek ze zmiana
fazy o 15 stopni zmniejsza laczny odksztal-
cenie harmoniczne do okolo 4,5%. To do-
datkowo zwieksza koszt i takie dodatkowe
urzadzenie sterujace jest uzywane tylko w
razie koniecznosci spelnienia wymagan do-
stawcy energii.

Teoretyczne uzasadnienie
powstawania harmonicznych

W idealnym, bezzaklóceniowym systemie
zasilania prad i napiecie sa pozbawione za-
klócen. W praktyce niesinusoidalne prady
powstaja, gdy plynacy prad nie odpowiada
liniowo przylozonemu napieciu. W pro-
stym obwodzie zawierajacym tylko ele-
menty liniowe - opór, indukcyjnosc i po-
jemnosc - plynacy prad jest proporcjonalny
do napiecia (o danej czestotliwosci) tak, ze
jesli stosuje sie napiecie sinusoidalne, po-
plynie prad sinusoidalny (patrz Rys. 9).
Przebieg obciazenia przedstawia zaleznosc
miedzy zastosowanym napieciem i pradem
przeplywajacym w odbiorniku; Rys. 9
przedstawia obciazenie liniowe. Warto za-
uwazyc, ze tam gdzie wystepuje element
czynny, nastapi przesuniecie fazowe mie-
dzy napieciem a pradem; zmniejszony jest
wspólczynnik mocy, ale obwód pozostaje
dalej obwodem liniowym.

Rys. 10 przedstawia sytuacje gdzie obcia-
zeniem jest prosty pelnookresowy pro-
stownik i kondensator taki jak przy wla-
czeniu zasilacza impulsowego (SMPS). W
takim przypadku prad plynie tylko wtedy,
gdy napiecie wejsciowe przekracza napie-
cie zgromadzone w kondensatorze zbior-
czym to znaczy blisko najwyzszego punktu
sinusoidy napiecia, jak pokazuje ksztalt li-
nii obciazenia.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys. 10. Kszta³t fali pr¹du w obci¹¿eniu nieliniowym.

Rys. 11. Uk³ad zastêpczy obci¹¿enia nieliniowego.

4

Redukcji ulega nie tylko caly prad harmo-
niczny, ale równiez harmoniczne wyzszego
rzedu, co sprawia, ze konstrukcja filtra jest
o wiele latwiejsza.

Producenci sprzetu czesto staraja sie zredu-
kowac wielkosci pradów harmonicznych,
dodajac filtr lub szeregowe cewki induk-
cyjne. Doprowadzilo to do tego, ze produ-
cenci zaczeli twierdzic, ze ich sprzet spel-
nia standardy ‘G5/3’. Poniewaz G5/3 jest
standardem stosowanym przy calej instala-
cji, nie mozna stwierdzic, ze zostal spel-
niony bez znajomosci kazdego urzadzenia
w zakladzie.

Dalszy wzrost liczby pulsów do 24 uzy-
skany dzieki zastosowaniu dwóch równo-
leglych 12-pulsowych jednostek ze zmiana
fazy o 15 stopni zmniejsza laczny odksztal-
cenie harmoniczne do okolo 4,5%. To do-
datkowo zwieksza koszt i takie dodatkowe
urzadzenie sterujace jest uzywane tylko w
razie koniecznosci spelnienia wymagan do-
stawcy energii.

Teoretyczne uzasadnienie
powstawania harmonicznych

W idealnym, bezzaklóceniowym systemie
zasilania prad i napiecie sa pozbawione za-
klócen. W praktyce niesinusoidalne prady
powstaja, gdy plynacy prad nie odpowiada
liniowo przylozonemu napieciu. W pro-
stym obwodzie zawierajacym tylko ele-
menty liniowe - opór, indukcyjnosc i po-
jemnosc - plynacy prad jest proporcjonalny
do napiecia (o danej czestotliwosci) tak, ze
jesli stosuje sie napiecie sinusoidalne, po-
plynie prad sinusoidalny (patrz Rys. 9).
Przebieg obciazenia przedstawia zaleznosc
miedzy zastosowanym napieciem i pradem
przeplywajacym w odbiorniku; Rys. 9
przedstawia obciazenie liniowe. Warto za-
uwazyc, ze tam gdzie wystepuje element
czynny, nastapi przesuniecie fazowe mie-
dzy napieciem a pradem; zmniejszony jest
wspólczynnik mocy, ale obwód pozostaje
dalej obwodem liniowym.

Rys. 10 przedstawia sytuacje gdzie obcia-
zeniem jest prosty pelnookresowy pro-
stownik i kondensator taki jak przy wla-
czeniu zasilacza impulsowego (SMPS). W
takim przypadku prad plynie tylko wtedy,
gdy napiecie wejsciowe przekracza napie-
cie zgromadzone w kondensatorze zbior-
czym to znaczy blisko najwyzszego punktu
sinusoidy napiecia, jak pokazuje ksztalt li-
nii obciazenia.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys. 12. Pr¹dy harmoniczne 3-go rzêdu dodaj¹ siê w punkcie neutralnym.

6

Problemy z harmonicznymi wewnatrz instalacji

Jest kilka obszarów, na których pojawiaja sie problemy z harmonicznymi:

♦

problemy wywolane harmonicznymi pradu:

♦

przeciazenie przewodów neutralnych,

♦

przegrzanie transformatorów,

♦

niepozadane zadzialanie wylaczników automatycznych,

♦

przeciazenie baterii kondensatorowych do korekcji wspólczynnika mocy,

♦

naskórkowosc;

♦

Problemy wywolane przez harmoniczne napiecia:

♦

odksztalcenia napiecia,

♦

silniki indukcyjne,

♦

przejscie przez zero;

♦

Problemy powstajace w momencie dotarcia harmonicznych do zasilania.

Ponizej omówione sa krótko wszystkie powyzsze problemy.

Problemy wywolane harmonicznymi pradu

Przegrzanie przewodu neutralnego

W systemie trójfazowym sinusoida napiecia z kazdej fazy w stosunku do punktu neutralnego jest przesunieta o 120°
tak, ze kiedy obciazenie kazdej fazy jest jednakowe, sumaryczny prad w punkcie neutralnym wynosi zero. Kiedy obcia-
zenia nie sa zrównowazone pojawia sie róznica pradów w przewodzie neutralnym. W przeszlosci instalatorzy (zgodnie
ze standardami) wykorzystywali ten fakt i instalowali przewody neutralne o srednicy dwa razy mniejszej. Jednak w
przeciwienstwie do pradów podstawowych, prady harmoniczne nie znikaja - w rzeczywistosci te, które sa nieparzysta
3-wielokrotnoscia skladowej podstawowej, dodaja sie w punkcie neutralnym. Rys. 12 przedstawia to zjawisko. Na dia-
gramie prady fazowe maja przesuniecie 120°. Trzecia harmoniczna kazdej fazy jest identyczna i ma trzy razy wieksza

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys 13. Obni¿anie dopuszczalnego obci¹¿enia kabli dla pr¹du harmonicznego

3. rzêdu.

7

czestotliwosc i przesuniecie o jedna trzecia (podstawowego) okresu. Rzeczywisty 3 harmoniczna w przewodzie neu-
tralnym jest przedstawiona u dolu diagramu. W tym przypadku wartosc 70% trzeciej harmonicznej w kazdej fazie pro-
wadzi to do pojawienia sie 210% harmonicznej pradu w przewodzie neutralnym.

Badania harmonicznych w budynkach komercyjnych zwykle pokazuja prady w przewodzie neutralnym pomiedzy 150 a
210% pradów fazowych, czesto w przewodzie o polowe mniejszym!

Istnieje pewne nieporozumienie dotyczace tego, jak konstruktorzy powinni sobie radzic z tym problemem. Tam gdzie
stosowane sa kable z jednym rdzeniem, prostym rozwiazaniem jest instalowanie przewodów neutralnych o podwójnej
grubosci jako dwóch osobnych przewodów lub jako jednego grubego przewodu. Tam gdzie stosowane sa kable wielor-
dzeniowe sprawa nie jest taka prosta. Parametry znamionowe kabli wielordzeniowych (na przyklad podane w IEC
60364-5-523 Tabela 52 i BS 7671 Zalacznik 4) zakladaja, ze obciazenie jest symetryczne i przewód neutralny nie
przewodzi zadnego pradu; innymi slowy, tylko trzy z czterech lub pieciu zyl przewodza prad i wytwarzaja cieplo.

Poniewaz mozliwosci przewodzenia pradu
w kablu zaleza wylacznie od ilosci ciepla,
które dany kabel moze rozproszyc w mak-
symalnej dopuszczalnej temperaturze, do-
puszczalne obciazenie kabli przewodza-
cych harmoniczne 3-go rzedu musi byc ob-
nizone. W przykladzie podanym powyzej
kabel przewodzi piec jednostek pradu - trzy
w fazach i dwie w przewodzie neutralnym -
w jego dopuszczalne obciazenie wynosilo
trzy jednostki. Jego dopuszczalne obciaze-
nie powinno byc, zatem zmniejszone do
okolo 60% obciazenia nominalnego.

IEC 60364-5-523 Aneks C (Informacje)
podaje sugerowany rzad wielkosci o ile na-
lezy obnizac dopuszczalne obciazenie od-
powiednio do wystepujacej harmonicznej
3-go rzedu. Rys. 13 przedstawia wspól-
czynnik obnizania dopuszczalnego obcia-
zenia podany w IEC 60364-5-523 Aneks C
i dla metody termicznej wykorzystanej po-

wyzej. Obecnie dyskutowane sa nowe przepisy i nowe wymagania oraz wytyczne, które beda prawdopodobnie
wprowadzone do krajowych standardów w niedalekiej przyszlosci.

Wplyw harmonicznych na transformatory

Harmoniczne wywoluja dwojakie skutki w transformatorach. Po pierwsze straty w pradach wirowych, zwykle okolo
10% strat przy pelnym obciazeniu, rosna z kwadratem rzedu harmonicznej. W praktyce, przy w pelni obciazonym trans-
formatorze zasilajacym sprzet komputerowy, laczne straty bylyby dwa razy wieksze niz przy porównywalnym obciaze-
niu liniowym. Powoduje to o wiele wyzsza temperature pracy transformatora i szybsze zuzycie. Dokladniej w takich
warunkach zywotnosc takiego transformatora zmniejszylaby sie od okolo 40 lat do 40 dni! Na szczescie niewiele trans-
formatorów jest w pelni obciazonych, ale takie skutki trzeba brac pod uwage w procesie doboru urzadzen.

Inny wplyw harmonicznych na transformatory wiaze sie z harmonicznymi 3-go rzedu. Przy uzwojeniu polaczonym w
trójkat wszystkie harmoniczne sumuja sie w fazie, tak ze harmoniczne 3-go rzedu kraza w uzwojeniu. Harmoniczne 3-
go rzedu sa efektywnie "pochlaniane" przez uzwojenie i nie rozprzestrzeniaja sie w systemie zasilania a transformatory
z takim ukladem polaczen sluza jako transformatory izolujace harmoniczne. Watro zauwazyc, ze harmoniczne inne niz
3-go rzedu przechodza przez taki "izolator". Przy przemianowaniu transformatora trzeba wziac pod uwage ten krazacy
w uzwojeniu transformatora prad.

Szczególowe omówienie wyznaczania parametrów znamionowych transformatorów dla harmonicznych mozna znalezc
w dalszych czesciach naszego poradnika.

Niepozadane zadzialanie wylaczników automatycznych

Dzialanie wylaczników róznicowych (RCCB) opiera sie na porównaniu lacznej ilosci pradów fazowych i przewodu ne-

Rys. 16. Rozdzielenie obci¹¿eñ liniowych i nieliniowych.

Rys. 15. Zniekszta³cenie napiêcia spowodowane obci¹¿eniem nieliniowym.

Rys. 14. Obwód zastêpczy obci¹¿enia nieliniowego z kondensatorem PFC.

8

utralnego i jesli ta róznica przekracza
pewne granice, wylacznik odcina zasilanie.
Niepozadane zadzialanie wylacznika moze
miec miejsce w obecnosci harmonicznych z
dwóch powodów. Po pierwsze, wylaczniki
takie (RCCB) to urzadzenia elektromecha-
niczne i jako takie moga niedokladnie obli-
czyc skladowe o wyzszych czestotliwo-
sciach i w konsekwencji zadzialac. Po dru-
gie, urzadzenia, które wytwarzaja harmo-
niczne równiez wytwarza szum odksztalce-
nia laczeniowe, które musza byc elimino-
wane w filtrach. Filtry zwykle stosowane w
tym celu maja kondensator pomiedzy faza
przewodem neutralnym a uziemieniem, tak
ze niewielka ilosc pradu uplywa do ziemi.
Ten prad jest ograniczony standardami do
wartosci mniejszej niz 3,5mA (zwykle jest
on o wiele mniejszy), ale jesli odbiorniki sa
podlaczony do jednego obwodu, ta mala
ilosc pradu uplywowego moze wystarczyc,
aby wylacznik zadzialal. Latwo rozwiazac
ten problem zapewniajac wiecej obwodów,
kazdy o coraz nizszym obciazeniu. Dalsze
czesci poradnika bardziej szczególowo
omawiaja uplywy do ziemi.

Niepozadane zadzialanie miniaturowych
wylaczników (MCB) jest zwykle spowo-
dowane tym, ze prad plynacy w obwodzie
jest wiekszy niz to wynika z obliczen lub
prostych pomiarów ze wzgledu na obec-
nosc harmonicznych. Wiekszosc przeno-
snych urzadzen pomiarowych nie mierzy
rzeczywistej wartosci skutecznej (RMS) i
moze zanizac wartosci pradów niesinuso-
idalnych o 40%. Pomiar rzeczywistej war-
tosci skutecznej (RMS) jest omówiony w
Czesci 3.2.2.

Przeciazenie baterii kondensa-
torowych do korekcji wspól-
czynnika mocy

Baterie kondensatorowe do korekcji wspól-
czynnika mocy sa stosowane do poboru
pradu wyprzedzajacego napiecie tak, aby
zrównowazyc prad opózniajacy sie w fazie
pobierany przez obciazenie indukcyjne ta-
kie jak silniki indukcyjne. Rys. 14 przed-
stawia obwód zastepczy dla kondensatora
PFC z obciazeniem nieliniowym. Impedan-
cja kondensatora PFC zmniejsza sie w
miare wzrostu czestotliwosci, a tymczasem
impedancja zródla jest ogólnie indukcyjna i
rosnie wraz ze wzrostem czestotliwosci. Z
tego wzgledu kondensator moze przenosic
calkiem duze harmoniczne pradu, co moze
prowadzic do uszkodzen, chyba ze przy-
gotowano sposób zapobiegania im.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

9

Potencjalnie wiekszy problem polega na tym, ze kondensator i indukcyjnosc rozproszona systemu zasilania moze rezo-
nowac bliskich czestotliwosciom jednej z harmonicznych (pojawiajacych sie w odstepach co 100Hz). Kiedy to naste-
puje moga powstawac bardzo wysokie napiecia i prady, które czesto prowadza do katastrofalnej w skutkach awarii
baterii kondensatorów.

Mozna uniknac rezonansu dodajac indukcyjnosc szeregowo z kondensatorem tak, ze polaczenie jest tylko indukcyjne
przy najnizszej z istotnych harmonicznych. Takie rozwiazanie równiez ogranicza prad harmoniczny, który moze plynac
w kondensatorze. Rozmiary cewki indukcyjnej moga stanowic utrudnienie, szczególnie przy wystepowaniu harmonicz-
nych niskiego rzedu.

Naskórkowosc (zjawisko Kelvina)

Prad przemienny zwykle plynie po zewnetrznej powierzchni przewodu. Jest to zjawisko zwane naskórkowoscia i jest
wyrazniej widoczne przy wysokich czestotliwosciach. Zjawisko naskórkowosci jest zwykle ignorowane, poniewaz ma
bardzo niewielki wplyw przy skladowej podstawowej, natomiast przy czestotliwosci powyzej 350Hz, tzn. przy siódmej
harmonicznej i nastepnych naskórkowosc zaczyna powodowac dodatkowe straty i wydzielanie ciepla. Tam gdzie wy-
stepuja harmoniczne konstruktorzy powinni brac zjawisko naskórkowosci pod uwage i odpowiednio przemianowywac
kable. Zastosowanie wielordzeniowych kabli lub wielowarstwowych szyn moze przyczynic sie do pokonania tego pro-
blemu. Warto równiez zauwazyc, ze systemy mocowania szyn musza byc tak zaprojektowane, aby uniemozliwic rezo-
nans mechaniczny przy czestotliwosciach harmonicznych. Poradnik konstruktorów w tych dwóch kwestiach znajduje
sie w publikacji 22 CDA, "Miedz w szynach".

Problemy wywolane przez harmoniczne napiecia

Ze wzgledu na impedancje zródla harmoniczne pradu wywoluja odksztalcenia przebiegu sinusoidy napiecia (jest to
zródlem "splaszczenia szczytu'). Sa dwa elementy dotyczace impedancji: instalacja wewnetrzna od punktu wspólnego
przylaczenia (PCC) oraz impedancja tego punktu (PCC), np. transformator zasilajacy. Ten pierwszy element jest przed-
stawiony na Rys. 15.

Odksztalcony prad w obciazeniu nieliniowym powoduje spadek i odksztalcenie napiecia w impedancji kabla. Powsta-
jacy odksztalcony przebieg napiecia odnosi sie do wszystkich innych obciazen w tym samym obwodzie, wywolujac
przeplyw przez nie harmonicznych pradu - nawet jesli sa one obciazeniami liniowymi.

Rozwiazaniem jest rozdzielenie obwodów zasilajacych odbiorniki generujace harmoniczne od tych obwodów, które
zasilaja urzadzenia czule na harmoniczne, tak jak przedstawiono na Rys. 16. Oddzielne obwody zasilaja obciazenia
liniowe i nieliniowe z punktu wspólnego przylaczenia (PCC) tak, ze odksztalcenie napiecia wywolane obciazeniem
nieliniowym nie wplywa na obciazenie liniowe.

Mówiac o wielkosci odksztalcenia harmonicznego napiecia trzeba pamietac, ze podczas zasilania zasilacza bez-
przerwowego UPS lub generatora awaryjnego w razie awarii zarówno impedancja zródla jak i odksztalcenie napiecia
beda o wiele wyzsze.

Przy instalowaniu lokalnych transformatorów nalezy pamietac, aby mialy one wystarczajaco niska impedancje wyj-
sciowa oraz dostateczna wielkosc, aby wytrzymac dodatkowe obciazenie cieplne, innymi slowy dobrze dobrany trans-
formator powinien byc odpowiednio wiekszy. Warto pamietac, ze nie jest dobrze dobierac transformator, który ma
wyzsza moc dzieki wymuszonemu chlodzeniu - takie jednostki beda dzialac przy wyzszych temperaturach a ich zywot-
nosc bedzie skrócona. Wymuszone chlodzenie powinno byc stosowane tylko w wyjatkowych wypadkach, a nie podczas
normalnej eksploatacji transformatora.

Silniki indukcyjne

Odksztalcenie harmoniczne napiecia powoduje zwiekszone straty w postaci pradów wirowych zarówno w silnikach jak
i w transformatorach. Jednak, dodatkowe straty pojawiaja sie w wyniku powstawania pól harmonicznych w stojanie, z
których kazdy próbuje wprowadzic silnik w ruch obrotowy o róznej predkosci obrotowej do przodu lub do tylu. Indu-
kowane prady wysokiej czestotliwosci w wirniku jeszcze bardziej zwiekszaja straty.

Jesli wystepuja odksztalcenia napiecia, silniki powinny byc przemianowane z uwzglednieniem takich dodatkowych
strat.

Rys. 19. Transformator izolacyjny w uk³adzie trójk¹t-gwiazda.

Rys. 18. Szereg bierny i filtry bocznikowe.

Rys. 17. Filtr bocznikowy dla harmonicznych biernych.

10

Przejscie przez zero

Wiele elektronicznych urzadzen sterujacych lokalizuje punkt, w którym napiecie zasilajace przekracza zero, aby ustalic
punkt zalaczenia. Takie dzialanie podyktowane jest tym, ze wlaczanie obciazen indukcyjnych przy napieciu wynosza-
cym zero nie wywoluje zjawisk przejsciowych, zmniejszajac interferencje elektromagnetyczna (EMI) i obciazenie pól-
przewodników. Kiedy wystepuja harmoniczne lub przebiegi przejsciowe, predkosc zmiany napiecia przy przejsciu
przez zero jest wieksza i trudniej ja ustalic, co prowadzi do zaklócen w pracy urzadzen. W rzeczywistosci moze istniec
kilka punktów przejscia zera w jednym pólokresie.

Problemy z harmonicznymi wplywajace na zasilanie

Harmoniczne pradu wywoluja harmoniczne napiecia proporcjonalne do impedancji zródla w punkcie wspólnego przy-
laczenia(PCC) i pradu. Poniewaz siec zasilajaca jest ogólnie indukcyjna, impedancja zródla jest wyzsza przy wyzszych
czestotliwosciach. Oczywiscie napiecie w punkcie PCC jest juz odksztalcone przez harmoniczne ‘wyciagane’ przez
innych klientów i przez krazace juz w transformatorach harmoniczne a kazdy klient dodatkowo sie do tego przyczynia.

Oczywiscie klientom nie mozna pozwolic
na dalsze 'zanieczyszczanie' ukladu, po-
niewaz na tym cierpia inni uzytkownicy
energii, i dlatego w wiekszosci krajów
system zasilania dla przemyslu stworzyl
regulacje ograniczajace wielkosc harmo-
nicznych. Wiele z tych zasad jest opartych
na standardach G5/3 stosowanych w Wiel-
kiej Brytanii wydanych w 1975 roku i
ostatnio zastapionych przez G5/4 (2001).
Te standardy sa omówione szczególowo w
naszym poradniku.

Sposoby lagodzenia wplywu
harmonicznych

Dostepne sposoby kontrolowania wielkosci
generowanych harmonicznych pradu sa
omówione szczególowo w dalszych cze-
sciach naszego poradnika. W tej czesci
znajduje sie krótki przeglad tego zagadnie-
nia. Sposoby lagodzenia wplywu harmo-
nicznych mozna podzielic na trzy katego-
rie. Filtry bierne (pasywne), transformatory
specjalne odcinajace i redukujace propaga-
cje harmonicznych oraz metody aktywnej
filtracji. Kazdy sposób ma zalety i wady i
nie ma jednego uniwersalnego sposobu na
lagodzenie harmonicznych. Bardzo latwo
wydac duzo pieniedzy na nieodpowiednie i
nieefektywne rozwiazanie; najlepiej prze-
prowadzic szczególowe badanie - narzedzia
do przeprowadzenia takiego badania sa
opisane w innym miejscu naszego porad-
nika.

Filtry bierne

Filtry bierne sa stosowane do zapewnienia
sciezki niskiej impedancji dla pradów har-
monicznych, aby plynely one przez filtr a
nie przez instalacje. (Rys. 17). W zalezno-
sci od konkretnych wymagan filtr moze
byc zaprojektowany dla jednej harmonicz-
nej lub dla szerszego pasma.

Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania

Rys 20. Urz¹dzenie reguluj¹ce harmoniczne.

11

Czasami konieczne jest zaprojektowanie filtra o bardziej zlozonej konstrukcji w celu zwiekszenia impedancji szerego-
wej przy czestotliwosciach harmonicznych, aby w ten sposób zmniejszyc ilosc pradu plynacego z powrotem do obwodu
(Rys. 18).

Czasami stosuje sie proste filtry zaporowe dla przewodów fazowym lub neutralnego. Filtr szeregowy ma za zadanie
raczej zablokowac harmoniczne niz zapewnic im kontrolowana sciezke przeplywu i dlatego ma w nim miejsce duzy
spadek harmonicznej napiecia. Spadek harmonicznej pojawia sie po stronie obciazenia. Napiecie zasilajace jest bardzo
odksztalcone i dlatego nie spelnia wymagan urzadzen. Niektóre urzadzenia sa stosunkowo odporne na takie odksztalce-
nia, ale inne sa na nie bardzo czule. Filtry szeregowe moga byc pozyteczne w niektórych sytuacjach, ale nalezy je sto-
sowac bardzo ostroznie; nie powinno sie ich polecac jako rozwiazania powszechnego.

Transformatory izolacyjne

Jak wspomniano wczesniej harmoniczne 3-
go rzedu kraza w uzwojeniach delta trans-
formatorów. Chociaz jest to problem dla
producentów transformatorów i ekspertów
- trzeba uwzglednic dodatkowe obciazenie
- jest to z drugiej strony korzystne dla pro-
jektantów instalacji, poniewaz harmoniczne
3-go rzedu sa od niej izolowane.

Taki sam efekt mozna osiagnac stosujac
transformator uzwojony w 'zygzak'. Trans-
formatory "zygzak: to autotransformatory
w ukladzie gwiazdy majace szczególne
powiazanie pomiedzy uzwojeniami pola-
czonymi bocznikowo z odbiornikiem.

Filtry aktywne

Rozwiazania omówione dotychczas sa skuteczne tylko dla konkretnych rzedów harmonicznych, transformatory izolu-
jace tylko dla harmonicznych 3-go rzedu a filtry bierne tylko dla konkretnych czestotliwosci harmonicznych. W niektó-
rych instalacjach trudniej przewidziec spektrum odksztalcenia. W wielu instalacjach elektrycznych zasilajacych urza-
dzenia elektroniczne na przyklad, ciagle zmienia sie rodzaj urzadzen i ich rozmieszczenie, co powoduje ciagle zmiany
spektrum harmonicznych. Dobrym rozwiazaniem jest zastosowanie filtrów aktywnych.

Jak przedstawiono na Rys. 20 filtr aktywny jest urzadzeniem wlaczonym równolegle w obwód. Przekladnik pradowy
mierzy odksztalcenie pradu oraz steruje generowaniem pradu - identycznej repliki - wplywajacej z powrotem do ob-
wodu w nastepnym okresie. Ze wzgledu na to, ze w filtrze generowana jest (replika) harmonicznej pradu, z ukladu
zasilania pobierana jest jedynie skladowa podstawowa. W praktyce wielkosc harmonicznych jest obnizana o 90%, a w
konsekwencji obnizona zostaje równiez wielkosc odksztalcenia napiecia.

Wnioski

Praktycznie wszystkie nowoczesne urzadzenia elektryczne i elektroniczne zawieraja zasilacze impulsowe (SMPS) lub
w jakis inny sposób kontroluja moc, stanowia zatem obciazenie nieliniowe. Obciazenia liniowe sa stosunkowo rzadkie,
a do nielicznych typowych przykladów naleza obwody oswietleniowe z zarówkami zarnikowymi bez sciemniaczy czy
grzejniki bez sterownika elektronicznego.

Wymagania, które maja spelniac urzadzenia w przyszlosci sa szczególowo omówione w dalszej czesci naszego porad-
nika, ale nie zostaly one jeszcze dostatecznie szczególowo ustalone w normach, aby wplywac skutecznie na zaklócenia
harmoniczne generowane przez urzadzenia elektroniczne takie jak komputery osobiste. To wlasnie taka klasa urzadzen
wywoluje w dzisiejszych czasach wiele problemów zwiazanych z harmonicznymi w przemysle i handlu czesciowo,
dlatego ze takich urzadzen jest bardzo wiele a dodatkowo dlatego, ze rodzaj harmonicznych generowanych przez PC
(harmoniczne 3-go rzedu) jest bardzo klopotliwy.

W miare podnoszenia sie jakosci instalowanych urzadzen, przy jednoczesnym braku wysokich standardów i metod ich
sprawdzania, odksztalcenia harmoniczne prawdopodobnie beda coraz wieksze. Stanowi to ryzyko dla firm, które musza
zatem inwestowac w dobre rozwiazania praktyczne, wlasciwe urzadzenia i eksploatacje.

Notatki

Benelux
European Copper Institute

168 Avenue de Tervueren

B-1150 Brussels

Belgium

Tel:

00 32 2 777 70 70

Fax:

00 32 2 777 70 79

Email:

[e-mail]

Web:

www.eurocopper.org

Kontakt: H. De Keulenaer

Copper Benelux

168 Avenue de Tervueren

B-1150 Brussels

Belgium

Tel:

00 32 2 777 7090

Fax:

00 32 2 777 7099

Email:

[e-mail]

Web:

www.copperbenelux.org

Kontakt: B. Dôme

Hevrox

Schoebroeckstraat 62

B-3583 Beringen

Belgium

Tel:

00 32 11 454 420

Fax:

00 32 11 454 423

Email:

[e-mail]

Kontakt: I. Hendrikx

KU Leuven

Kasteelpark Arenberg 10

B-3001 Leuven-Heverlee

Belgium
Tel:

00 32 16 32 10 20

Fax:

00 32 16 32 19 85

Email:

[e-mail]

Kontakt: Prof. Dr R. Belmans

Niemcy
Deutsches Kupferinstitut e.V

Am Bonneshof 5

D-40474 Duesseldorf

Germany

Tel:

00 49 211 4796 323

Fax:

00 49 211 4796 310

Email:

[e-mail]

Web:

www.kupferinstitut.de

Kontakt: S. Fassbinder

HTW

Goebenstrasse 40

D-66117 Saarbruecken

Germany

Tel:

00 49 681 5867 279

Fax:

00 49 681 5867 302

Email:

[e-mail]

Kontakt: Prof Dr W. Langguth

Europejskie Centra Promocji Miedzi
i partnerzy programu Leonardo da Vinci Power Quality

W³ochy

Istituto Italiano del Rame

Via Corradino d’Ascanio 4

I-20142 Milano

Italy
Tel:

00 39 02 89301330

Fax:

00 39 02 89301513

Email:

[e-mail]

Web:

www.iir.it

Kontakt: V. Loconsolo

Institutio Italiano del Rame

Via Cardinal Maffi 21

I-27100 Pavia

Italy
Tel:

00 39 0382 538934

Fax:

00 39 0382 308028

Email:

[e-mail]

Web

www.ecd.it

Kontakt: Dr A. Baggini

TU Bergamo

Viale G Marconi 5

I-24044 Dalmine (BG)

Italy
Tel:

00 39 035 27 73 07

Fax:

00 39 035 56 27 79

Email:

[e-mail]

Kontakt: Prof. R. Colombi

Wielka Brytania

Copper Development Association

Verulam Industrial Estate

224 London Road

St Albans

Hertfordshire AL1 1AQ

England

Tel:

00 44 1727 731205

Fax:

00 44 1727 731216

Email:

[e-mail]

Webs:

www.cda.org.uk & www.brass.org

Kontakt: A. Vessey

Polska

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

Pl.1 Maja 1-2

PL-50-136 Wroc³aw

Polska
Tel:

00 48 71 78 12 502

Fax:

00 48 71 78 12 504

Email:

[e-mail]

Kontakt: P. Jurasz

Politechnika Wroc³awska

Wybrze¿e Wyspianskiego 27

PL-50-370 Wroc³aw

Polska
Tel:

00 48 71 32 80 192

Fax:

00 48 71 32 03 596

Email:

[e-mail]

Kontakt: Prof. Dr hab. in¿. H. Markiewicz

Dr in¿. A. Klajn

European Copper Institute

168 Avenue de Tervueren

B-1150 Brussels

Belgium
Tel:

00 32 2 777 70 70

Fax:

00 32 2 777 70 79

Email:

[e-mail]

Website: www.eurocopper.org

Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.

50-136 Wroc³aw

pl. 1 Maja 1-2

Polska
Tel:

00 48 71 78 12 502

Fax:

00 48 71 78 12 504

e-mail:

[e-mail]

Website: www.miedz.org.pl

David Chapman - autor

Copper Development Association

Verulam Industrial Estate

224 London Road

St Albans AL1 1AQ
Tel:

00 44 1727 731200

Fax:

00 44 1727 731216

Email:

[e-mail]

Websites: www.cda.org.uk

www.brass.org

Copper Development Association