Przerwa w dostawie energii elektrycznej, jaka miała miejsce w USA 14 sierpnia 2003 roku, była wyraźnym sygnałem, że problemu dotyczącego jakości prądu nie można lekceważyć. Spowodowana była przez sieć energetyczną (i ją też dotknęła) – infrastrukturę elektryczną. Kwestie związane z tym zdarzeniem powinny zostać poddane szczegółowej analizie – i tak się z całą pewnością stanie. Jednak w ten sam sposób, w jaki rząd amerykański analizuje zagadnienia dotyczące jakości energii w skali kraju, inżynierowie powinni przeanalizować je wewnątrz swojego zakładu.
Harmoniczne to modne słowo, obecnie mocno nadużywane. Warto jednak zapytać, czym są owe harmoniczne i dlaczego wciąż się o nich tyle mówi? Dlaczego są takie ważne?
Co to są harmoniczne?
Częstotliwości harmoniczne są wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. W muzyce nazywa się je oktawami i zazwyczaj są pożądane, jednak w zakładowej instalacji elektrycznej są szkodliwe.
Składowe harmoniczne stanowią źródło problemów, kiedy nakładają się na falę prądu elektrycznego o częstotliwości podstawowej. Ponieważ ich częstotliwości są wielokrotnością 60-hercowej wartości częstotliwości podstawowej prądu, mogą mieć wartość dwukrotną, czyli 120-hercową, trzykrotną – 180-hercową i tak dalej. W chwili, gdy częstotliwości harmoniczne nakładają się na częstotliwość podstawową, dochodzi do odkształcenia sinusoidalnego przebiegu napięcia (rys. 1).
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej IEEE (ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiuje zawartość harmonicznych jako miarę obecności harmonicznych w kształcie fali przebiegu napięcia lub natężenia, wyrażoną w procentach wartości amplitudy częstotliwości podstawowej dla każdej harmonicznej. Całkowita zawartość harmonicznych wyrażona jest jako pierwiastek drugiego stopnia z sumy kwadratów wartości wszystkich amplitud harmonicznych (decyduje tu średnia kwadratowa, czyli wartość skuteczna wszystkich harmonicznych razem wziętych).
Rys. 1. Zniekształcona sinusoida pojawia się wtedy, gdy harmoniczne nakładają się na sinusoidę o częstotliwości podstawowej. Ten uproszczony rysunek pokazuje, co się dzieje, gdy nakładają się sinusoida o częstotliwości podstawowej oraz trzecia i piąta harmoniczne. Rzeczywiste przebiegi mogą być znacznie bardziej skomplikowane.
Co powoduje powstawanie harmonicznych?
Podstawowym powodem występowania harmonicznych są nieliniowe obciążenia. Obejmują one – choć nie ograniczają się jedynie do nich – napędy bezstopniowe, monolityczne układy sterowania ogrzewaniem i innymi procesami, zasilacze impulsowe, znajdujące się praktycznie w każdym skomputeryzowanym elemencie sprzętu, systemy statycznego zasilania bezprzerwowego – tzw. UPS-y (ang. Uninterruptible Power Supply), elektroniczne zapłonniki, elektroniczny sprzęt pomiarowy oraz elektroniczne urządzenia biurowe.
Obciążenia nieliniowe wytwarzają krótkie impulsy elektryczne w każdym cyklu przebiegu fali, przez co odkształcają jej sinusoidalny przebieg. Harmoniczne w przebiegu napięcia wynikają z harmonicznych natężenia prądu, które interferują z impedancją układu elektroenergetycznego.
Autor: Jack Smith, Plant Engineering USA
