5 признака, че сега имате нужда от активен хармоничен филтър

Преувеличено прегряване на оборудването и преждевременни повреди

Как хармоничното изкривяване причинява топлинно напрежение в трансформатори, кабели и двигатели

Когато хармоничните токове протичат през електрическите системи, те създават загуби от съпротивление, известни като I на квадрат R нагряване, и тези загуби се влошават много по-бързо при повишаване на честотите. Двигателите също страдат от този проблем, при който високочестотните хармоници всъщност генерират нежелани вихрови токове в роторните части. В същото време, когато формите на напрежението се изкривяват, трансформаторите трябва да работят по-тежко от предвиденото при проектирането им, често надхвърляйки своите номинални kVA граници. Наскорошно проучване на енергийни системи от 2023 г. установи нещо доста тревожно за мениджърите на обекти. Заводи, работещи с общо хармонично изкривяване над 18%, изпитват разрушаване на кабелната изолация около 25% по-бързо в сравнение с тези, които спазват стандарта IEEE-519. Такъв вид износване се натрупва с времето и води до разходи за ремонти и подмяна.

Роля на активния хармоничен филтър при намаляване на прегряването и удължаване на живота на оборудването

Активните хармонични филтри намаляват топлинното напрежение, като излъчват противоположни хармонични токове в момента на възникването им, което според тестове в няколко фабрики понижава температурата на трансформаторите с около 18 градуса по Целзий (около 32 по Фаренхайт). Пасивните филтри са различни, защото понякога причиняват резонансни проблеми. По-новите активни версии се настройват автоматично при промяна на хармоничните модели — нещо, което старите системи просто не могат да правят. При повечето обекти коефициентът на мощност след монтаж надхвърля 0,98, въпреки че резултатите варирали в зависимост от конкретните условия и възрастта на оборудването.

Кейс Стъди: Намаляване на повредите на електродвигатели в промишлен обект чрез монтаж на активен хармоничен филтър

Завод за опаковане в Средния запад е намалил разходите за смяна на електродвигатели с 72% в рамките на 12 месеца след инсталиране на система с активен хармоничен филтър 600A. Записаните данни показват:

Параметър	Преди инсталиране	После инсталацията
Температура на намотката на двигателя	148°C	112°C
Замяна на лагери	19/месец	5/месец
Разходи за енергия	$42,800/месец	$37,200/месец

Инвестицията от 186 000 долара постигна напълно възвръщане на инвестициите за 22 месеца чрез комбинирани икономии на енергия и намалени разходи за поддръжка.

Чести повреди в чувствителни електронни системи

Влиянието на хармоничното замърсяване върху системите за управление и ИТ инфраструктурата

Когато хармоничното замърсяване проникне в системата, то нарушава чистите форми на напрежението и причинява различни проблеми за чувствителната електроника. И цифрите разказват доста красноречиво. Обекти, при които общото хармонично изкривяване на напрежението (THD) надхвърля 5%, отчитат с около една трета повече грешки в програмируемите логически контролери (PLC). А когато THD надвиши 8%, сървърите започват да изискват рестарти почти с половината по-често, според проучвания от 2023 г. сред промишлени обекти. Това, за което много инженери не говорят достатъчно, е как напрежението в диелектрика на кондензаторите нараства поради тези хармонични токове, което буквално износва по-бързо от нормалното електронните платки. Целият този проблем става още по-голяма главоболие за обекти, използващи множество преобразуватели с променлива честота и импулсни захранвания, които днес се срещат навсякъде. Само тези устройства допринасят за между 60 и 85 процента от всички хармонични токове, протичащи през електрическите системи на съвременните сгради.

Възстановяване на чиста електроенергия с активни хармонични филтри чрез корекция на формата на вълната

Активните хармонични филтри използват технология за непрекъснато наблюдение и IGBT (транзистор с изолирана врата биполярен) за откриване на хармонични честоти (от 2-ри до 50-ти ред), впръскване на противофазни токове и намаляване на общите хармонични изкривявания (THD) под 3%. Като възстановяват чисти синусоидни форми на вълната, тези системи елиминират 92% от събитията с напрежение с изрязвания, свързани с повреда на данни в цифрови системи за управление.

Практическо приложение: Защита на чувствителни товари в търговски сгради

Един дата център в Средния запад отбеляза впечатляващо намаляване на грешките в системата SCADA – всъщност с около 78%, след като беше поставен активен хармоничен филтър 400A. Филтърът понижи нивата на пълни хармонични изкривявания (THD) на тока от проблемните 15% до стойности, които повечето биха считали за нормални. Този ремонт реши няколко досадни проблема, включително и честите рестартирания на междинната защита поради електромагнитни смущения (EMI), които продължаваха да се случват в неудобни моменти. Освен това се намалиха и напрежението пада, влияещи върху системите за контрол на температурата по време на критични операции, а постоянните лъжливи аларми от ИБП системите най-накрая престанаха да безпокоят персонала. Гледайки резултатите, годишните разходи за поддръжка намаляха почти наполовина, което ясно показва колко важно е правилното управление на хармониците, за да работят системите плавно и без неочаквани прекъсвания.

Претоварване на кондензаторна батерия и проблеми с хармонично резонансно усилване

Системите за компенсиране на реактивната мощност са изправени пред сериозни проблеми, когато възникне хармонично резонансно явление. Кондензаторните батерии могат да причинят неприятности, когато взаимодействат с индуктивността на системата при определени хармонични честоти. Това води до рязко понижаване на импеданса. Вследствие на това хармоничните токове могат да се увеличат дори до 400 процента според стандарт IEEE 18-2020. Резултатът от тази ситуация е по-бързо износване на кондензаторите поради съвкупност от фактори. Има диелектрично напрежение от електрическите сили, нива на ток, които надвишават номиналните стойности на кондензаторите, и значително повишаване на температурата вътре в уредбата поради допълнителното топлинно генериране. Тези комбинирани ефекти сериозно съкращават живота на засегнатите компоненти.

Разбиране на опасността от хармоничен резонанс в системите за компенсиране на реактивната мощност

Седемдесет и три процента от повредите на кондензатори в индустриални среди идват от недиагностицирана хармонична резонанс (Доклад за качеството на електроенергията по IEEE 2022 г.). Традиционните системи за корекция на коефициент на мощност могат да влошат проблема, когато хармоничните честоти съвпаднат с естествените резонансни точки, изчислявани по формулата:

f_resonance = f_base × √(SSC / Q)

Където SSC е капацитетът на системата при късо съединение, а Q е номиналът на кондензаторната батерия. Както е показано в последните проучвания за качеството на електроенергията, често срещаните 5-и и 7-и хармоници (300–420 Hz) често предизвикват резонанс в стандартни мрежи 50 Hz/60 Hz.

Предотвратяване на повреди на кондензатори чрез активни хармонични филтри вместо пасивни решения

Съвременните активни хармонични филтри впръскват токове за компенсиране за по-малко от 50 микросекунди — 25 пъти по-бързо от типичното време за реакция на кондензаторите — без да въвеждат нови рискове от резонанс. За разлика от пасивните филтри, те осигуряват корекция в целия спектър от 2-ри до 51-ви хармоник и не изискват ръчно настройване.

Функция	Пасивни филтри	Активни филтри
Риск от резонанс	Висок	Няма
Диапазон за намаляване на общите хармонични изкривявания (THD)	Фиксирани честоти	2-ри до 51-ви хармоници
Нужда от поддръжка	На всеки три месеца настройване	Автомониторинг

Преглед на 47 обекта през 2023 г. установи, че разполагането на активни филтри намалява разходите за подмяна на кондензатори с 92% в сравнение с пасивни системи, като постига рентабилност на инвестицията за по-малко от 14 месеца благодарение на избягнати простои и поддръжка.

Високи нива на общо хармонично изкривяване (THD), надвишаващи стандарти

Измерване на напрежението и тока на THD за оценка на съответствието с качеството на електроенергията (напр. IEEE-519)

THD или общите хармонични изкривявания по същество показват колко нежелан хармоничен шум присъства в нашите електрически системи. Най-новият стандарт на IEEE от 2022 г. препоръчва да се поддържа изкривяването на напрежението под 5% и токовото изкривяване под 8%. Но погледнете днешните повечето индустриални обекти, особено тези, които използват много преобразуватели с променлива честота, и какво откриваме? Показанията за THD често надхвърлят 15% в ключови точки на системата. Това е приблизително 2,7 пъти повече от допустимото. А положението се влошава при разглеждане на последните данни. Доклад за съответствие, публикуван през 2024 г., показва, че около един от всеки пет производствени цеха в Съединените американски щати все още има проблеми с нива на THD, които надвишават новите стандарти, въпреки че регулаторите са направили известни послабвания, за да се съобразят с източниците на възобновяема енергия.

Активни филтри за хармоници за намаляване на реално време на THD от >18% до <5%

Хармоничните филтри всъщност работят доста бързо и елиминират досадните изкривявания за само 2 милисекунди, според някои скорошни тестове през 2023 г. Тези устройства притежават умна вградена адаптивност, която поддържа съответствието с нормите дори при работа с най-различни необичайни електрически натоварвания, които се срещат днес, като големите индустриални роботи в заводите или свръхбързите зарядни станции за електромобили, които се появяват навсякъде. Вземете за пример един полупроводников завод, който имаше сериозни проблеми с качеството на електроенергията, които нарушаваха производството. След монтажа на тези модулни активни филтри, успяха значително да намалят нивата на хармонично изкривяване на напрежението (THD) от около 17,8% до около 3,2%. Тази промяна им спести приблизително 740 000 долара годишно, тъй като спряха да губят толкова много пластини поради досадните колебания на захранването, които постоянно повреждаха серийните партиди.

Растяща тенденция в индустрията: Обекти внедряват активни хармонични филтри, за да отговарят на регулаторните ограничения

Според Grand View Research от 2024 г., световният пазар за активни хармонични филтри ще бележи ръст от около 8,9% годишно до 2030 г. Голяма част от този ръст се дължи на строгите правила за качеството на електроенергията, които в момента се прилагат в 14 страни от Г20. Много производители на храни преминават от старомодните кондензаторни батерии към тези по-нови активни системи. Отраслови доклади показват, че почти две трети от обектите са отчели намаляване на разходите си за поддръжка след инсталирането им, докато почти половината са успели да получат желаната етикетка ENERGY STAR за своите операции. Основната причина за този напор? Доставчиците на електроенергия засилват значително контрола върху проблемите с общите хармонични изкривявания. Обекти, уловени с нива над 8% прекалено дълго, могат да бъдат санкционирани с глоби до 12 долара на киловатчас в търговски райони.

ЧЗВ

Какво е хармонична изкривяване?

Хармоничното изкривяване в електрическите системи се отнася до отклонения от чисти синусоидални форми на вълните, причинени обикновено от нелинейни товари като двигатели или електронни устройства.

Как хармоничните изкривявания влияят върху трансформаторите?

Изкривените форми на вълните могат да претоварят трансформаторите, като ги принуждават да работят извън техния капацитет, което може да доведе до прегряване и преждевременно повреда.

Какво са активните хармонични филтри?

Активните хармонични филтри са напреднали устройства, които неутрализират хармоничните токове чрез впръскване на противофазни сигнали, намалявайки по този начин общото хармонично изкривяване (THD) в електрическите системи.

Защо преобразувателите с променлива честота причиняват хармонично замърсяване?

Преобразувателите с променлива честота променят честотата на захранването към двигателите, създавайки хармонични токове, които допринасят за замърсяването на електрическата система.