Vliv vyšších harmonických na elektrickou síť

Tyto harmonické jsou generovány nelineárními zátěžemi, jako jsou například spínané zdroje, frekvenční měniče, elektronické předřadníky osvětlení a další. V tomto článku se zaměříme na vliv vyšších harmonických na elektrickou síť a možnosti jejich omezení.

Zdroje vyšších harmonických

Vyšší harmonické jsou generovány různými nelineárními zátěžemi připojenými k elektrické síti. V této kapitole se podrobněji zaměříme na hlavní zdroje vyšších harmonických a jejich charakteristiky.

Usměrňovače
Usměrňovače jsou jedním z nejběžnějších zdrojů vyšších harmonických v elektrické síti. Jsou používány v různých aplikacích, jako např. nabíječky baterií a zdroje napájení elektronických zařízení. Usměrňovače převádějí střídavé napětí na stejnosměrné pomocí diod nebo tyristorů. Během tohoto procesu vznikají vyšší harmonické, zejména 5., 7., 11. a 13. harmonická. Amplituda těchto harmonických závisí na typu usměrňovače a jeho zatížení. Šestipulzní usměrňovače produkují zejména 5. a 7. harmonickou, zatímco dvanáctipulzní usměrňovače generují 11. a 13. harmonickou s nižší amplitudou.

Frekvenční měniče
Frekvenční měniče jsou široce využívány pro řízení otáček motorů v průmyslových aplikacích a v systémech HVAC (topení, ventilace a klimatizace). Tyto měniče používají pulzně šířkovou modulaci (PWM) pro řízení výstupního napětí a frekvence. Rychlé spínání polovodičových prvků ve frekvenčních měničích generuje vyšší harmonické, zejména na násobcích spínací frekvence. Amplituda a spektrum harmonických závisí na typu měniče, spínací frekvenci a zatížení. Moderní frekvenční měniče často obsahují integrované filtry pro omezení harmonických.

Elektronické předřadníky osvětlení
Elektronické předřadníky jsou používány v zářivkových a LED svítidlech pro omezení proudu a zajištění správného provozu. Tyto předřadníky pracují na vysokých frekvencích (desítky kHz) a obsahují usměrňovače a invertory. Rychlé spínání elektronických předřadníků generuje vyšší harmonické, zejména na násobcích základní frekvence sítě. LED svítidla s pulzním proudovým zdrojem mohou produkovat významné harmonické, zejména třetí harmonickou.

Obloukové pece
Obloukové pece jsou využívány v metalurgickém průmyslu pro tavení a rafinaci kovů. Tyto pece vytváří elektrický oblouk mezi elektrodami a taveninou, který se chová jako nelineární zátěž. Obloukové pece generují široké spektrum vyšších harmonických, zejména 2. až 7. harmonickou. Amplituda a spektrum harmonických se mění v závislosti na fázi tavení a kvalitě vsázky. Obloukové pece mohou také způsobovat kolísání napětí (flicker) v síti.
Kromě výše zmíněných zdrojů existují i další zařízení, která mohou přispívat k tvorbě vyšších harmonických v síti, jako jsou svářečky, UPS systémy a některé typy počítačových zdrojů. Každý z těchto zdrojů má specifické charakteristiky a vliv na elektrickou síť.
Pro omezení vlivu vyšších harmonických je důležité identifikovat hlavní zdroje v dané síti a aplikovat vhodná opatření, jako jsou filtry, vícepulzní usměrňovače nebo aktivní kompenzátory. Správná volba a dimenzování těchto opatření vyžaduje podrobnou analýzu sítě a znalost charakteristik zdrojů harmonických.

Vliv vyšších harmonických na síť

Vyšší harmonické mají řadu negativních dopadů na elektrickou síť a připojená zařízení. Dále se podrobněji zaměříme na jednotlivé vlivy vyšších harmonických a jejich důsledky.

Přetížení nulového vodiče
V třífázových systémech se trojnásobky harmonické (3., 9., 15., ...) generované nelineárními zátěžemi sčítají v nulovém vodiči. To je způsobeno tím, že tyto harmonické jsou ve fázi ve všech třech fázích a jejich součet se uzavírá nulovým vodičem. Výsledkem je, že proud v nulovém vodiči může být i několikanásobně vyšší než proud ve fázových vodičích. Přetížení nulového vodiče může vést k jeho přehřívání, zvýšenému riziku požáru a zhoršení kvality napětí vlivem úbytků napětí na impedanci nulového vodiče.

Ztráty v transformátorech
Vyšší harmonické zvyšují ztráty v transformátorech dvěma hlavními mechanismy. Prvním je skin efekt, který způsobuje nerovnoměrné rozložení proudové hustoty ve vodičích vlivem vyšší frekvence harmonických. To vede ke zvýšení efektivní rezistance vinutí, a tedy i ztrát. Druhým mechanismem jsou ztráty vířivými proudy v magnetickém obvodu transformátoru. Tyto ztráty rostou kvadrátem frekvence, takže vyšší harmonické k nim přispívají významně více než základní harmonická. Zvýšené ztráty vedou ke snížení účinnosti transformátoru, jeho přehřívání a zkrácení životnosti.

Rušení citlivých zařízení
Vyšší harmonické mohou způsobovat rušení citlivých elektronických zařízení, jako jsou počítače, řídicí systémy, měřicí přístroje a telekomunikační zařízení. Toto rušení se může projevovat jako chybná funkce, ztráta dat, restart nebo dokonce poškození zařízení. Příčinou je pronikání harmonických do napájecích obvodů zařízení a indukce rušivých napětí na datových a signálových vedení. Míra rušení závisí na amplitudě a frekvenci harmonických, impedanci sítě a odolnosti zařízení. Pro omezení rušení se používají odrušovací filtry, stíněné kabely a galvanické oddělení.

Rezonance
V elektrické síti existují prvky s kapacitním a indukčním charakterem, jako jsou kondenzátory pro kompenzaci účiníku a indukčnosti transformátorů a vedení. Při určitých frekvencích může dojít k rezonanci mezi těmito prvky, což vede k zesílení harmonických proudů a napětí. Rezonance může způsobit přepětí, zvýšené ztráty a poškození zařízení. Nebezpečná je zejména paralelní rezonance, kdy se síť chová jako vysoká impedance pro danou harmonickou frekvenci. Rezonanci lze omezit vhodným návrhem kompenzace účiníku, použitím tlumivek a filtrů.

Snížení účiníku
Vyšší harmonické přispívají k odebíranému jalovému výkonu a tím snižují skutečný účiník zátěže. To je způsobeno tím, že harmonické proudy jsou fázově posunuty vůči základní harmonické, a tedy i vůči napětí. Snížený účiník znamená větší odběr jalového výkonu ze sítě, což zvyšuje ztráty na vedení a transformátorech a vyžaduje větší dimenzování těchto prvků. Pro kompenzaci účiníku při přítomnosti vyšších harmonických je nutné použít kompenzační filtry, které jsou naladěny na příslušné harmonické frekvence.
Kromě výše uvedených vlivů mohou vyšší harmonické způsobovat i další problémy, jako je chybné měření elektrické energie, rušení HDO signálů a zkreslení napěťové křivky. Pro minimalizaci těchto vlivů je nutné omezovat emise harmonických u zdrojů, používat vhodné filtry a kompenzátory a správně dimenzovat prvky sítě. Důležitá je také pravidelná analýza kvality elektrické energie a sledování trendů v oblasti nelineárních zátěží.

Opatření pro omezení vyšších harmonických

Existuje řada opatření, která lze implementovat pro omezení vlivu vyšších harmonických na elektrickou síť.

Pasivní filtry
Pasivní filtry jsou tvořeny kombinací indukčností, kapacit a případně rezistorů. Jejich úkolem je vytvořit nízkoimpedanční cestu pro harmonické proudy a zabránit jejich šíření do sítě.
Návrh pasivních filtrů vyžaduje znalost spektra harmonických a impedančních poměrů v síti. Nesprávně navržený filtr může způsobit rezonanci a zesílení harmonických. Výhodou pasivních filtrů je jejich jednoduchost, spolehlivost a nízké náklady. Nevýhodou je omezená flexibilita a možnost přetížení při změně parametrů sítě.

Aktivní filtry
Aktivní filtry jsou elektronická zařízení, která dynamicky kompenzují harmonické proudy generované nelineárními zátěžemi. Skládají se z řídicí jednotky, která měří harmonické proudy v síti, a výkonové části, která generuje opačné harmonické proudy pro jejich potlačení. Aktivní filtry pracují v reálném čase a dokáží se přizpůsobit změnám v síti.
Aktivní filtry jsou účinné a flexibilní řešení pro omezení harmonických, ale jsou složitější a nákladnější než pasivní filtry. Vyžadují také pravidelnou údržbu a výměnu komponent.

Vícepulzní usměrňovače
Vícepulzní usměrňovače jsou používány pro snížení harmonického zkreslení proudu odebíraného ze sítě. Nejčastěji se používají 12pulzní a 18pulzní usměrňovače, které se skládají z dvou, respektive tří 6pulzních usměrňovačů napájených přes transformátor s vhodným zapojením vinutí. Vícepulzní zapojení potlačuje harmonické v odebíraném proudu, zejména 5., 7., 11. a 13. harmonickou. Nevýhodou je větší počet součástek a vyšší cena ve srovnání s 6pulzním usměrňovačem.

Transformátory s vyšší impedancí
Transformátory s vyšší impedancí omezují šíření harmonických proudů v síti tím, že představují větší impedanci pro vyšší frekvence. Toho se dosahuje speciální konstrukcí magnetického obvodu a vinutí transformátoru. Transformátory s vyšší impedancí se často používají v kombinaci s pasivními filtry pro zlepšení jejich účinnosti. Nevýhodou je větší úbytek napětí na transformátoru a vyšší ztráty.

Správné dimenzování kabelů a transformátorů
Přítomnost vyšších harmonických v síti zvyšuje efektivní hodnotu proudu a tím i ztráty a oteplení vodičů a transformátorů. Proto je nutné dimenzovat tyto prvky s ohledem na harmonické zatížení. To znamená použít kabely s větším průřezem, než by odpovídalo pouze základní harmonické, a transformátory s vyšším jmenovitým výkonem a lepším chlazením. Správné dimenzování snižuje ztráty, prodlužuje životnost zařízení a zlepšuje spolehlivost dodávky energie.
Volba vhodných opatření pro omezení vyšších harmonických závisí na konkrétní aplikaci, charakteru zátěží a parametrech sítě. Často se používá kombinace různých metod pro dosažení optimálního výsledku. Důležitá je také spolupráce mezi provozovatelem sítě, výrobci zařízení a uživateli při řešení problémů s harmonickými. Pouze komplexní přístup může zajistit dlouhodobě kvalitní a spolehlivou dodávku elektrické energie.

Závěr

Vyšší harmonické představují významný problém v sítích elektrického napájení. Negativně ovlivňují kvalitu energie, což může vést k přetížení, ztrátám a rušení citlivých zařízení. Pro omezení vlivu vyšších harmonických je nutné implementovat vhodná opatření a správné dimenzování komponentů sítě. Pochopení zdrojů a vlivů vyšších harmonických je klíčové pro zajištění spolehlivého a efektivního provozu elektrických sítí.