Program do nauki o jakości energiiObecnie poziom zniekształceń napięcia w zasilających sieciach energetycznych, jak również gwarantowane zasilanie odbiorników czułych na złą jakość energii elektrycznej należą do istotnych problemów elektroenergetyki oraz odbiorców energii elektrycznej. W wielu przypadkach mogą one być rozwiązane poprzez zastosowanie nowoczesnych urządzeń energoelektronicznych, jak np. energetyczne filtry aktywne, zasilacze o zwiększonych parametrach zwarciowych czy szybkie łączniki bezstykowe. Zastosowanie w przemyśle całej gamy urządzeń energoelektronicznych spowodowało znaczne pogorszenie się parametrów jakościowych napięcia zasilania. Wykorzystywane do regulacji częstotliwości i formowania kształtu napięcia, nieliniowe układy przekształtnikowe, znalazły masowe zastosowanie w urządzeniach do „miękkiego rozruchu” dużych napędów oraz w urządzeniach do precyzyjnego sterowania prędkościami obrotowymi silników dużej mocy. Współcześnie udział odbiorników nieliniowych w ogólnym bilansie mocy zainstalowanej u pojedynczego odbiorcy wzrósł do takiego poziomu, że w napięciu zasilającym pojawiły się niespotykane dotąd zjawiska i problemy, np.: przeciążenie przewodu neutralnego, wyższe harmoniczne czy asymetria. Sytuacja dodatkowo pogorszyła się wówczas, gdy masowo zaczęto zastępować tradycyjne źródła światła – żarówkami energooszczędnymi.

Poniżej przedstawiono widmo harmonicznych prądu generowanych przez odbiorniki nieliniowe w zakładzie przemysłowym przy średnim obciążeniu prądowym 900A:
Widmo harmonicznych prądu generowanych przez odbiorniki nieliniowe w zakładzie przemysłowym przy średnim obciążeniu prądowym 900A
I przebieg czasowy THD dla prądu:

Przebieg czasowy THD dla prądu

Jak widać z widma, znaczące harmoniczne to nieparzyste: H5 (155A) i H7 (84A). Natomiast THDI kształtuje się na maksymalnym poziomie 160A. Harmoniczne te pochodzą głównie od przekształtników częstotliwości zainstalowanych w liniach technologicznych. Płynące od tych odbiorników do sieci zasilającej zakłócenia, powodują zniekształcenia sinusoidy przebiegu napięcia i podwyższenie wartości THDU do prawie 4% jak pokazują poniższe spektrum i przebieg czasowy:
Przebieg czasowy
i przebieg czasowy THD dla napięcia:
Przebieg czasowy THD dla napięcia

Najbardziej efektywną metodą kompensacji odkształceń prądu generowanego przez odbiornik nieliniowy i poprawę jakości energii elektrycznej jest filtr aktywny, włączany równolegle między źródło i odbiorniki. Taki sposób połączenia sprawia, że filtr ma możliwość korygowania parametrów prądu odbiornika, jednocześnie nie będąc dodatkowym urządzeniem pośredniczącym w przekazywaniu energii między źródłem a odbiornikami.

Filtr kompensuje nieliniowy charakter odbiornika poprzez mierzenie prądu harmonicznych pochodzącego od nieliniowych odbiorników oraz generowanie identycznego prądu o przeciwnej fazie. Suma prądu odbiorników i filtru powoduje powstawanie prądu sinusoidalnego ze źródła, czego efektem jest pobór z sieci zasilającej prądu o przebiegu sinusoidalnym. Filtr może pracować w trybie kompensacji prądu, lub w trybie kompensacji zarówno prądu jaki i mocy biernej. Poprzez poprawę jakości energii, czyli zastosowanie filtrów aktywnych można zaoszczędzić nawet 20% kosztów zasilania energią elektryczną przedsiębiorstwa.

Główne oszczędności to efektywność wykorzystania energii elektrycznej poprzez:

  • poprawa współczynnika mocy,
  • redukcja zakłóceń harmonicznych sieci,
  • redukcja prądu przewodu neutralnego,
  • redukcja nierównomiernego obciążenia faz,
  • zmniejszenie prądu rozruchowego pobieranego z sieci,
  • obniżenie zapotrzebowania na moc transformatorów,
  • obniżenie zapotrzebowania na moc agregatów prądotwórczych,
  • redukcja spadków napięć na transformatorach i kablach,
  • redukcja temperatury transformatorów i kabli,
  • brak ryzyka wystąpienia rezonansu harmonicznych
  • obniżenie kosztów wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej.