Amikor torzulás lép fel, ez kellemetlen, magas frekvenciájú áramokat hoz létre, amelyek növelik az ellenállást, és nemkívánatos hőfelhalmozódást okoznak az elektromos alkatrészek belsejében. A transzformátorok, motorok és vezetékek nehezebben működnek, mint kellene, messze túllépve azt, amit a hőtervezésük kezelni képes. Mi történik ezután? Ugyanezek az áramok örvényáramokat indítanak el a mágneses magokban és tekercsekben. Ez a folyamat jelentősen felgyorsítja a szigetelés öregedését, néha akár 40%-kal gyorsabban kopik el, mint normál körülmények között. Nézzük meg a 2023-as adatokat különböző gyártóüzemektől, és valami tanulságosat találunk: a korai motorkimaradások majdnem hétről egyre visszavezethetők erre a fajta harmonikus okból származó túlmelegedési problémára. A kondenzátorbankok sem járnak sokkal jobban. Azok a kondenzátorok, amelyek nagy teljes harmonikus torzítással rendelkező környezetben működnek, háromszor gyakrabban szenvednek dielektrikus átütést, mint ami normál esetben várható lenne.
Legutóbbi esettanulmányok szerint az aktív harmonikaszűrők 18–35 °C-kal csökkentik a vezetékek hőmérsékletét CNC gépcsoportokban, ezzel 22%-kal meghosszabbítva a berendezések karbantartási intervallumát.
Az infravörös termográfia segít azonosítani a harmonikus terhelés korai jeleit a megemelkedett üzemhőmérsékleten keresztül:
| Mérési pont | Normál hőmérséklet | Magas-harmonikus hőmérséklet |
|---|---|---|
| Transzformátor bemeneti csatlakozások | 65 °C | 89 °C |
| Motor csatlakozódoboz | 55 °C | 72 °C |
| Kondenzátor ház | 45 °C | 68 °C |
A létesítmények, amelyek meghaladják az IEEE 519-2022 harmonikus határértékeket, általában 2,3-szor gyorsabb hőmérséklet-emelkedést tapasztalnak a termelési ciklusok során. A modern figyelőrendszerek a THD% és a hőmérsékleti adatokat integrálják, hogy automatikusan aktiválják az aktív harmonikus szűrőket, amikor a hőmérséklet eléri a kritikus értékeket, például az 55 °C-ot.
Az ipari irányítórendszerek gyakran meghibásodnak akkor is, ha rendszeres karbantartásban részesülnek, ami a torzításos rezgésnek (harmonikus torzítás) köszönhető. A jelenség során a feszültségformák megváltoznak, és ez zavarja az elektronikus alkatrészek működését. Ennek eredményeképpen a relék hibásan működnek, az érzékelők pontatlan értékeket adnak, a szervomotorok pedig lényegesen korábban elkopnak. Egy 2023-as, a villamosenergia-minőségről készült felülvizsgálat szerint a gyárakban bekövetkező rejtélyes motorhibák körülbelül kétharmada valójában nem mechanikai okokra vezethető vissza, hanem a harmonikus áramok által okozott instabil feszültségekből fakad. A legtöbb karbantartó csapat teljesen figyelmen kívül hagyja ezeket a rejtett villamos problémákat, és csak a látható hibákat próbálja javítani, miközben a valódi ok csendben ott marad a háttérben, hogy később újabb problémákat okozzon.
A húsfeldolgozó üzem hetente ismétlődő PLC-hibákkal küzdött, annak ellenére, hogy szigorúan követték a gyártó által ajánlott karbantartási eljárásokat. Amikor a mérnökök kivizsgálták az áramminőségi problémákat, kiderült, hogy problémás 7. és 11. harmonikus frekvenciák okoznak rezonancia-problémákat a 480V-os villamos rendszerükben. Ezek a harmonikusok olyan tranziens feszültségcsúcsokat hoztak létre, amelyek riasztó 23%-os teljes harmonikus torzítást (THD) eredményeztek, ami messze meghaladta az IEEE 519-2022 szabvány által a vezérlőkörök esetében megengedett 8% küszöbértéket. A helyzetet tovább súlyosbította, hogy ezek a specifikus frekvencia-minták átcsúsztak a szokásos túlfeszültség-védelmeken, végül több PLC bemeneti/kimeneti modult is tönkretettek. A megoldás akkor érkezett, amikor adaptív aktív harmonikus szűrőket (AHF) telepítettek. Már három hónappal a telepítés után a harmonikus szintek 4% alá csökkentek, és az idegesítő, tervezetlen leállások egyszerűen eltűntek a termelési ütemtervből.
Az aktív harmonikus szűrők dinamikusan ellentétes fázisú áramokat vezetnek be, hogy valós időben semlegesítsék a káros harmonikus jeleket. Az olyan passzív szűrőktől eltérően, amelyek csak rögzített frekvenciákra korlátozódnak, az AHF-ek alkalmazkodnak a változó terhelésekhez, amelyek gyakoriak olyan létesítményekben, ahol frekvenciaváltókat (VFD) és hegesztőberendezéseket használnak. Ez a folyamatos korrekció:
Mivel az AHF-ek a harmonikus torzítás gyökerét támadják meg, meghosszabbítják a berendezések élettartamát, és hatékonyabbá teszik a meglévő karbantartási programokat. Az AHF-eket használó létesítmények évente 43%-kal kevesebb reaktív karbantartási munkalapot regisztrálnak.
A teljes harmonikus torzítás, röviden THD, lényegében azt méri, hogy egy jel mennyire tér el az úgynevezett tiszta szinuszhullámtól. Amikor a THD értéke meghaladja az 5%-ot, ez hatékonysági csökkenéshez és megbízhatósági problémákhoz vezethet hosszú távon. A magas THD-szintek körülbelül 12% vagy annál nagyobb energiaelvesztést okoznak a transzformátorokban, nemkívánatos visszaforgó nyomatékot hoznak létre a motorrendszerekben, nehezebbé teszik a vezetők működését a bőrhatás növekedése miatt, és gyorsabban kopasztják az izolációs anyagokat a normálisnál. A múlt év iparági adatait tekintve, azok a gyárak, amelyek nem feleltek meg az IEEE 519 szabvány vonatkozó feszültség-THD előírásainak, körülbelül 23%-kal többet költöttek karbantartásra másokhoz képest. Ezek a többletköltségek főként meghibásodott kondenzátorbankokból és relék hibás működéséből származtak, amelyekkel senki sem szeretne rendszeres üzemeltetés közben foglalkozni.
Az IEEE 519-2022 szabvány a megengedett maximális feszültség-THD értékét <8%-ban határozza meg alacsony feszültségű rendszerek esetén (<1 kV), és <5%-ban középfeszültségű hálózatoknál (1–69 kV). Az áramszolgáltatók egyre gyakrabban követelik meg a szabályok betartását szerződéses záradékokon keresztül. A 2023-as EnergyWatch tanulmány szerint az ipari felhasználók 42%-a kapott megfelelőségi figyelmeztetést, amikor a THD érték meghaladta a 6,5%-ot a közös csatlakozási ponton.
A hagyományos, rögzített hangolású passzív szűrők akkor működnek a legjobban, amikor konkrét harmonikus frekvenciákkal kell foglalkozniuk, de nehézségeik vannak a mai ipari környezetekben, ahol a frekvenciaváltók széles skálájú harmonikusokat generálnak az egész spektrumban. A gyakorlati mérések azt mutatják, hogy ezek a passzív megoldások általában legfeljebb 30–50 százalékos teljes harmonikus torzítás-csökkentést érnek el. Ez szembeállítható az adaptív aktív harmonikaszűrőkkel elért eredményekkel, amelyek folyamatosan 80–95 százalékos hatékonyságot érnek el. Mi ennek az oka? Ezek a fejlett rendszerek folyamatosan figyelik az elektromos hullámformákat, és valós időben injektálnak ellencsavarokat, így a berendezések akkor is megfelelően működnek, amikor a terhelés napközben változik. Bár nem minden problémára nyújtanak tökéletes megoldást, sok üzem már tapasztalta, hogy az AHF-ek jelentős javulást hoznak az áramminőség-kezelési stratégiákban.
A frekvenciaváltók (VFD-k), az akadálymentes áramellátású rendszerek vagy UPS-ek, valamint a váltakozó áramú hajtások mind olyan zavaró harmonikus áramokat hoznak létre, amelyek torzítják a feszültséghullám alakját, és gyakorlatilag csökkentik a rendszer hatékonyságát. Mi történik ezután? A transzformátorok és kábelek nehezebben dolgoznak, mint kellene, ami azt jelenti, hogy az iparágak körülbelül 12%-kal több energiát használnak el, mint amennyire szükségük lenne. Nézzen körül bármelyik gyártóüzemben, és vegye figyelembe: egy átlagos 500 kW teljesítményű motorhajtás évente körülbelül 18 000 dollár pluszköltséget okozhat csak a reaktív teljesítmény díjaiból adódóan. És még rosszabbá válik a helyzet, amikor a specifikus 5. és 7. rendű harmonikusok összeadódnak. Ezek ugyanis nem maradnak csendben; elektromágneses zavarokat keltenek, amelyek tovább csökkentik a motorok hatékonyságát, miközben egyidejűleg a kapcsolótáblák magasabb hőmérsékleten működnek a normálisnál.
Az aktív harmonikus szűrők a torzított hullámformát (THD) 5% alá csökkentik, miközben a teljesítménytényezőt 0,95 felett tartják, így mérhető pénzügyi előnyöket biztosítanak:
Egy tipikus 480 V-os AHF rendszer e megtakarítások hatására 18–24 hónapon belül megtérül.
Az ipari létesítmények villamosenergia-költségei a tavalyi Világbank adatai szerint világszerte körülbelül 22%-kal emelkedtek 2021 óta, és jelenleg a csúcsfogyasztás díja körülbelül harmadát teszi ki annak, amit a vállalatok havonta energiaszükségleteikért fizetnek. A legtöbb energiaszolgáltató egyre szigorúbban lép fel az olyan problémák ellen, mint a reaktív teljesítmény és a harmonikus torzítások, amelyek meghaladják az IEEE 519 szabványban foglalt értékeket, és néha akár 12 dollárt is felszámíthatnak kVAR-onként, ha ezek a problémák súlyos mértékűvé válnak. Azok a gyárak, amelyek aktív harmonikus szűrőket alkalmaznak, általában 18–27%-os csökkenést tapasztalnak az energia-számláikon azokhoz képest, amelyek még mindig passzív szűrőket használnak. Azok számára, akik költségeket próbálnak csökkenteni, miközben fenntartják a megfelelőséget, az ilyen adaptív megoldásokba történő befektetés napjaink piaci körülményei között már nemcsak okos üzleti döntés, hanem szinte elengedhetetlen szükségességgé válik.
A rögzített frekvenciájú passzív szűrők előre meghatározott, adott harmonikusokra hangolt LC-körökre támaszkodnak, ezért kevéssé alkalmasak a modern, változó terhelésű ipari környezetekben történő használatra. Fő korlátaik közé tartozik:
A modern aktív harmonikaszűrők digitális jelfeldolgozást használnak a pillanatnyi torzítások korrigálására:
A teljesítmény maximalizálása frekvenciaváltókban (VFD) gazdag környezetekben:
Az összesített harmonikus torzítás (THD) a jel tisztán szinuszos hullámformától való eltérését méri. A magas THD hatásfok-csökkenést és megbízhatósági problémákat okozhat az energiarendszerekben, energia-veszteséget, növekedett berendezéskopást és esetleges üzemzavarokat eredményezve.
Az AHF-ek dinamikusan vezetnek be ellenfázisú áramokat, hogy valós időben kiegyenlítsék a káros harmonikus jeleket, alkalmazkodva a változó terhelésekhez, és fenntartsák a THD-t az elfogadható szint alatt. Ez hozzájárul a villamosenergia-minőség javításához és a berendezések élettartamának növeléséhez.
A harmonikus jelek túlmelegedést okozhatnak a berendezéseknél, növelhetik az I²R veszteségeket, dielektromos átütéseket idézhetnek elő kondenzátorokban, zavarhatják a vezérlőrendszerek működését, valamint növelhetik az energiafogyasztást, ami magasabb üzemeltetési költségekhez vezet.
Az AHF-ek javítják a teljesítménytényezőt és csökkentik a harmonikus áramokat, aminek eredményeképpen alacsonyabb igénybevételi díjakat, minimalizált I²R veszteségeket és a villamosenergia-minőségi szabványokkal való nem megfelelésből fakadó büntetések elkerülését eredményezik, gyakran 18–24 hónapon belüli megtérülést biztosítva.
Forró hírek
EN
