Czym są częstotliwości harmoniczne?

Odkształcenie sygnału zasilania w sieci elektroenergetycznej od kształtu idealnej sinusoidy świadczy o pewnej zawartości harmonicznych w tym sygnale. Na rys. 1 przedstawione są trzy oscylogramy z sieci trójfazowej o wysokim poziomie zawartości harmonicznych. Oscylogramy wszystkich faz znacznie odbiegają kształtem od idealnych sinusoid.

Teoria mówi, że każdy sygnał odkształcony można rozłożyć na zestaw harmonicznych będących całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej f₁. Dla sieci elektroenergetycznej o f₁ = 50 Hz harmoniczne to wszystkie sygnały składowe o częstotliwościach będących wielokrotnością 50 Hz, jak na przykład f₂ = 100 Hz, f₃ = 150 Hz itd.

Rys. 1. Wykres wygenerowany w programie Sonel Analiza. Trzy oscylogramy prądowe w sieci trójfazowej zarejestrowane analizatorem PQM-702.

 

Cztery przykłady negatywnego wpływu harmonicznych

1. Zbyt wysoka temperatura przewodów

Naskórkowość jest przyczyną nadmiernego grzania się przewodów przy dużej zawartości harmonicznych w sygnale prądowym. Dla częstotliwości źródła zasilania 50 Hz efekt naskórkowości jest niewielki, ale powyżej 250 Hz (5. harmoniczna) staje się już znaczący.

W czteroprzewodowej sieci 3-fazowej trzecia harmoniczna prądu i jej wielokrotności nie zerują się. W takim przypadku w przewodzie neutralnym może popłynąć prąd, który wytworzy w nim wysokie straty cieplne i zwiększy temperaturę.

Jeśli temperatura przekroczy limit wytrzymałości termicznej przewodu, zaistnieje ryzyko stopienia lub nawet zapłonu izolacji i łatwopalnych materiałówznaj dujących się w pobliżu.

2. Niepożądane wyłączenia instalacji

Zabezpieczenia w sieciach elektrycznych, takie jak wyłączniki nadprądowe z elementem bimetalowym, zaprojektowane są w ten sposób, aby zadziałały po przekroczeniu określonej temperatury progowej. Sygnały harmoniczne powodują nadmierne nagrzewanie się przewodników. Mogą zatem przyczynić się do niepoprawnej pracy tych zabezpieczeń, które zaprojektowano jedynie dla prądu o częstotliwości 50 Hz. Jeżeli w sygnale zasilającym jest duży udział częstotliwości harmonicznych, to przy przeciążeniach wyłączniki wyłączą się przedwcześnie. Biorąc pod uwagę wyłącznie kryterium wartości RMS prądu i czasu trwania stanu obciążenia, nie powinno to mieć miejsca.

3. Nadmierne grzanie się transformatora

Wyższe harmoniczne zwiększają straty związane z grzaniem się transformatorów. Straty te występują m.in. w rdzeniu i uzwojeniach. Straty w rdzeniu wynikają z obecności prądów wirowych i są proporcjonalne do kwadratu częstotliwości. Natomiast straty w uzwojeniach wiążą się ze zwiększonymi stratami cieplnymi w przewodniku. Powyższe efekty powodują dodatkowy wzrost temperatury transformatora, mogący doprowadzić do jego przegrzania i zniszczenia.

Wskazówka: Pomiar temperatury można wykonać kamerą termowizyjną serii KT

4. Skrócona żywotność silników

W silnikach odkształcone napięcie może spowodować nadmierne drgania oraz - analogicznie jak w transformatorach - zwiększone straty cieplne poprzez powstanie prądów wirowych. Dodatkowe straty cieplne i wibracje powstają również na skutek generacji w stojanie pola o częstotliwości sygnałów harmonicznych.

Każda harmoniczna próbuje obrócić wirnik z inną prędkością i kierunku. Obrót silnika w kierunku nominalnym, przewidzianym przez producenta, powodują harmoniczne zgodne rzędu 1, 4, 7 itd. Z kolei obrót w kierunku przeciwnym powodują tzw. harmoniczne przeciwne rzędu 2, 5, 8 itd. Taką sytuację można przyrównać do jazdy samochodem, podczas której kierowca jednocześnie przyspiesza i hamuje.

W związku z powyższym harmoniczne, których wartości amplitud przekroczą limit, przyczynią się do powstania niepożądanych wibracji, nadmiernego grzania i w efekcie skrócenia żywotności silnika.

Kilka prostych działań w celu wykonania diagnostyki i pomiaru harmonicznych:

1. Podłącz dowolny analizator Sonel serii PQM zgodnie z zaleceniem producenta.
2. Ustaw tryb pomiaru amplitud harmonicznych i parametrów THD, TID oraz TDD.
3. W trakcie pomiaru sprawdź poziom parametrów THD, TID oraz TDD, a następnie udział każdej z harmonicznych w prądzie i napięciu.
4. Jeśli poziom danego parametru przekracza próg normy EN 50160, IEEE 519 lub innych norm, podejmij działanie.

Analiza wyników pomiaru harmonicznych

1. Odczytaj wartości zmierzone dla parametrów THD, TID oraz TDD i porównaj je z wartościami granicznymi.
2. Wyświetl zbiór wartości amplitud harmonicznych jako wykres słupkowy, w formie procentowej zawartości względem częstotliwości podstawowej (patrz rys. 2).
3. Porównaj wynik z wartościami granicznymi amplitud harmonicznych dla danych wymagań, np. normy EN 50160.

 

Rys. 2. Ekran analizatora Sonel PQM-707 w trakcie pomiaru harmonicznych.
Spektrum przedstawia procentową zawartość sygnałów harmonicznych względem sygnału o częstotliwości podstawowej.

 

Autor:

Jacek Osiecki
Sonel S.A.