Wyższe harmoniczne a koszty energii

Zrozumienie przyczyn powstawania wyższych harmonicznych w systemach zasilania oraz ich skutków pozwoli uniknąć problemów w użytkowaniu urządzeń elektrycznych i ich możliwych uszkodzeń.
Wyższe harmoniczne powstają na skutek nieliniowych charakterystyk pracy urządzeń elektrycznych. Warto wiedzieć, jak dokonywać pomiarów związanych z mocą w obwodach zasilania urządzeń, by nie przekroczyć krytycznych wartości wynikających z umowy z dostawcą prądu i uniknąć związanych z tym kar. W pomiarach i obliczeniach można posiłkować się tzw. trójkątem mocy, by zrozumieć zależności pomiędzy mocą czynną, pozorną i bierną oraz czym jest współczynnik mocy.
Trójkąt mocy
Trójkąt mocy pokazany na rys. ilustruje zależności pomiędzy mocą czynną (P,
mierzoną w watach – W, kW), mocą pozorną (S, mierzoną w woltamperach – VA, kVA), mocą bierną (Q, mierzoną w warach – VAR, kVAR) i współczynnikiem mocy PF (cos
φ), czyli wielkościami i pojęciami, z jakimi mamy do czynienia w systemach zasilania prądem sinusoidalnie zmiennym.

-> Moc czynna P – to część mocy, jaka jest pobierana ze źródła zasilania i zamieniana na pracę; wyraża się ją w watach lub kilowatach. Jej wartość odzwierciedla poziomy wektor (na wykresie jest to wektor KW), czyli o kącie 0°, opisany iloczynem mocy pozornej i współczynnika mocy cos φ.
-> Moc pozorna S – to wielkość fizyczna będąca iloczynem wartości skutecznych napięcia i natężenia pod obciążeniem, wyrażana w woltamperach. Na wykresie opisuje ją wektor KVA.
-> Wektor mocy biernej Q – może mieć zwrot dodatni lub ujemny i jest iloczynem reaktancji elementów obwodu elektrycznego (indukcyjnej, pojemnościowej lub ich kombinacji) oraz kwadratu wartości skutecznej prądu płynącego przez te elementy. Moc bierna jest wyrażana w warach, a na wykresie opisuje ją wektor KVAR.
-> Współczynnik mocy cos φ – jest to stosunek mocy czynnej do pozornej, opisywany jako cosinus kąta, którego tangens to iloraz mocy biernej i czynnej. W sensie fizycznym opisuje on przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem a prądem, co jest spowodowane reaktancją elementów układu.

Rachunki za energię
Dostawcy energii elektrycznej mierzą jej ilość w kilowatogodzinach – kWh. Gospodarstwa domowe płacą po prostu za tyle prądu, ile zużyją wg określonej stawki za 1 kWh, ale odbiorcy komercyjni i przemysł rozliczają się w oparciu o wcześniej uzgodnione kontrakty, za przekroczenie których płacą kary. W umowach tych określa się zapotrzebowanie na energię wyrażane w kW w określonej jednostce czasu. Niektórzy dostawcy obligują dużych odbiorców do utrzymywania współczynnika mocy (czyli stosunku kW do KVA) w zakresie określonym w kon-trakcie.
Powszechnie akceptowany sposób modelowania obciążenia dla większości odbiorców przemysłowych to rozpatrzenie układu równoległego połączenia rezystancji, reaktancji indukcyjnej i opcjonalnie również reaktancji pojemnościowej. Prezentowana powyżej tabela pokazuje wnioski płynące z istnienia trójkąta mocy, odnośnie obciążenia w układzie zasilanym prądem zmiennym bez wyższych harmonicznych w sytuacji, gdy dodano kondensator.
Efekty występowania wyższych harmonicznych w systemach prądu sinusoidalnego
Częstotliwości harmoniczne mogą się pojawić w systemie zasilania na skutek wielu różnych zjawisk i sytuacji, np. gdy:
-> zainstalowano nowoczesny sprzęt elektryczny z wbudowanymi mikroprocesorami i układami elektronicznymi – zwykle ma on nieliniową charakterystykę obciążenia, co sprzyja powstawaniu wyższych harmonicznych;
-> działa oświetlenie LED;
-> funkcjonują nieliniowe pola magnetyczne w transformatorach i obrotowych szczelinach powietrznych;
-> straty w rdzeniach transformatorów związane z prądami wirowymi i efektem naskórkowości ulegają wzmocnieniu wraz z częstotliwością;

-> wydajność transformatora jest zniekształcana przez elementy pracujące z prądem stałym, które generują dodatkowe prądy niesinusoidalne.

Wyższe harmoniczne, które są wynikiem nieliniowego obciążenia, powodują tworzenie się niesinusoidalnych prądów w formie pulsowania. Ich obecność oznacza odkształcenia w sinusoidalnych przebiegach napięcia i prądu, co dodatkowo obciąża urządzenia elektryczne i może prowadzić do ich uszkodzenia, przerw w dostawie prądu i przestojów.
Występowanie wyższych harmonicznych ma swoje odbicie w całej sieci, a sytuację pogarsza tylko stosowanie nowoczesnej elektroniki. Dodatkowo, poza większymi kosztami utrzymania ruchu, mogą one generować dodatkowe koszty związane z karami za niedotrzymywanie warunków umowy z dostawcą energii.
By uniknąć takiej sytuacji, trzeba odpowiedzieć na kilka istotnych pytań:
-> Czy w moim systemie występują wyższe harmoniczne?
-> Czy grożą mi za nie kary?
-> Ile wynoszą?
-> Jak dostawca energii mierzy wartości używane do obliczania faktur?

-> Czy dostawca energii pozwala negocjować faktury?

Odpowiadając na te pytania i stosując odpowiednie pomiary, można zmniejszyć negatywne efekty związane z występowaniem wyższych harmonicznych w systemie zasilania.
Autor: John Lehman jest menedżerem w firmie Dataforth. 
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Energia 2017". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.