Aby ograniczyć problemy związane z występowaniem składowych harmonicznych w zakładowych instalacjach, możemy skorzystać z kilku rozwiązań. Niestety żadne z nich nie jest na tyle uniwersalne, aby można je było zastosować w każdym przypadku. Dlatego też od naszej wiedzy i wyboru najwłaściwszego rozwiązania zależy jego skuteczność.
Jeśli nie zredukujemy niepożądanych prądów elektrycznych, czekają nas takie problemy, jak przegrzewanie przewodów neutralnych i transformatorów po wadliwe działanie urządzeń elektronicznych. Nadmierna obecność składowych harmonicznych w systemie rozdziału energii skutkuje zwykle fałszywymi alarmami napędów falownikowych, problemami ze sterownikami PLC oraz blokadą komputerów.
Od czego zacząć?
Szukając optymalnego rozwiązania, które pozwoli ograniczyć wymienione problemy, warto najpierw stwierdzić, które urządzenia przyczyniają się do powstawania znaczących prądów sinusoidalnych. Najczęściej wina spada na napędy falownikowe. Konieczne będzie użycie aparatury pomiarowej w celu zmierzenia i przeanalizowania częstotliwości i amplitudy harmonicznych. Na szczęście jest to prostsze, niż mogłoby się z początku wydawać.
Analizatory jakości energii elektrycznej i rejestratory umożliwiają pomiar i rejestrację częstotliwości i amplitudy oraz obliczanie zniekształceń pierwotnej fali sinusoidalnej o częstotliwości 60 Hz, spowodowanych przez składowe harmoniczne. Uzyskane dane mogą zostać poddane dalszej analizie po przeniesieniu na komputer PC. Kluczowym parametrem obliczanym przez aparaturę analityczną jest współczynnik zawartości harmonicznych. Jest on obliczany dla przebiegów napięcia i natężenia. Po pomiarach producent napędu falownikowego pomoże nam wybrać najkorzystniejsze rozwiązanie.
Jaka jest najlepsza metoda pomiarowa? Najprostsze rozwiązanie – pomiar współczynnika zawartości harmonicznych w określonej chwili oraz zakup filtra ograniczającego wskazane prądy sinusoidalne – raczej nie wchodzi w grę. Powód: częstotliwość i wielkości prądów sinusoidalnych wytwarzanych przez napęd falownikowy będą zwykle zmieniać się w trakcie zmiany obciążenia napędu.
Przykładowo napęd falownikowy może generować wiele stosunkowo słabych harmonicznych przy małym obciążeniu, ale za to wytwarzać znaczące częstotliwości harmoniczne pod dużym obciążeniem. Jeśli pomiar harmonicznych zostanie zarejestrowany we względnie krótkim czasie, jesteśmy na najlepszej drodze do przegapienia najistotniejszych danych.
Filtry, dławiki i inne urządzenia służące ograniczeniu składowych harmonicznych projektuje się dla określonych prądów sinusoidalnych w konkretnych warunkach eksploatacyjnych. Stąd dobieranie filtra ograniczającego harmoniczne generowane przy niskim obciążeniu napędu falownikowego prawdopodobnie zaowocuje zakupem nieodpowiedniego filtra. W efekcie może się okazać, że najpoważniejsze problemy pojawiają się w innych warunkach eksploatacyjnych, czyli po prostu o innej porze pracy zakładu.
Krok po kroku
Szukając sposobu na ograniczenie problemów ze składowymi harmonicznymi, miejmy na uwadze poniższe wskazówki.
- Konieczne jest zbadanie wszelkich aparatów o charakterystyce nieliniowej, mogących wytwarzać niepożądane składowe harmoniczne w posiadanym systemie rozdziału energii. Do głównych podejrzanych zaliczają się zwykle napędy falownikowe – ale nie tylko one.
- Kolejnym krokiem jest instalacja analizatora jakości energii elektrycznej lub rejestratora, którego zadaniem będzie pozyskiwanie danych. Narzędzie to podłącza się w punkcie, w którym obwód napędu falownikowego jest połączony z innymi odbiornikami energii. W zakładach przemysłowych miejsce to określane jest mianem punktu wspólnego przyłączenia (PCC – Point of Common Coupling). Wprawdzie niektóre rejestratory można zainstalować na stałe, warto jednak korzystać z przenośnego analizatora, który na czas badania zostanie podłączony i umieszczony w bezpiecznej szafce elektrycznej.
- Podłączanie i odłączanie tego rodzaju urządzeń wymaga bezwzględnego stosowania środków ochrony przeciwporażeniowej.
- Dane powinny być rejestrowane przez co najmniej jeden cykl pracy zakładu. W ten sposób uchwycone zostaną najpoważniejsze wystąpienia składowych harmonicznych. Musimy też zaopatrzyć się w dzienniki prac i procesów realizowanych w zakładzie w trakcie badanego cyklu, aby porównać z nimi uzyskany zapis.
- Przy użyciu oprogramowania analizatora dane przesyłane są do komputera PC do dalszej analizy. Teraz kolej na zbadanie harmonicznych pojawiających się w różnym czasie w trakcie pracy zakładu. Dane dotyczące prądów sinusoidalnych musimy zestawić z informacjami o eksploatacji maszyn i urządzeń. Co takiego dzieje się w zakładzie w czasie największych zniekształceń wywołanych przez składowe harmoniczne? Jakiemu obciążeniu musi w tym czasie podołać posiadany napęd falownikowy? Występowanie zniekształceń harmonicznych będzie prawdopodobnie zbieżne z czasem pracy napędów falownikowych.
Zgodnie z zaleceniami organizacji IEEE współczynnik zawartości harmonicznych przy częstotliwości składowej podstawowej równej 60 Hz w punkcie wspólnego przyłączenia nie może przekraczać 5% wartości napięcia. Uwagi i działań korekcyjnych wymagają wszystkie przypadki w cyklu pracy zakładu, w których współczynnik zawartości harmonicznych zbliża się do tego pułapu.
- Jeśli to możliwe, powinniśmy zestawić wszelkie problemy, które wystąpiły w badanym okresie podczas rejestracji jakości energii elektrycznej, z wartościami współczynnika zawartości harmonicznych i ich poziomem w danych punktach w czasie. Przykładowo, jeśli sterownik PLC generuje fałszywy alarm wskazujący na wysoką temperaturę urządzenia w tej samej chwili, w której zmienia się obciążenie napędu falownikowego oraz rozpoczyna się rozruch dużego silnika, to z pewnością jesteśmy na dobrym tropie. Skutecznym rozwiązaniem w tym przypadku będzie zastosowanie filtra odpowiedniego do ujawnionego w wyniku analizy odbiornika zasilanego przez napęd falownikowy.
- I wreszcie pamiętajmy o tym, że w doborze optymalnego rozwiązania ograniczającego zniekształcenia harmoniczne nieodzowna będzie współpraca z producentem sprawiającego problemy napędu falownikowego. W drodze pytań i technicznych analiz możemy uzyskać od dostawcy napędów cenną pomoc w określeniu najskuteczniejszego rozwiązania, które ograniczy niepożądane składowe harmoniczne.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
Autor: Randy Barnett
