5 Jel, hogy sürgősen szüksége van aktív harmonikus szűrőre

Túlzott berendezés-felmelegedés és idő előtti meghibásodás

Hogyan okoz termikus feszültséget a harmonikus torzítás transzformátorokban, kábelekben és motorokban

Amikor a harmonikus áramok elektromos rendszerekben folynak, ellenállási veszteségeket okoznak, amelyeket I négyzet R fűtésnek neveznek, és ezek a veszteségek gyorsabban romlanak, ahogy a frekvenciák növekednek. A motorok is szenvednek ettől a problémától, ahol a magas frekvenciájú harmonikusok ténylegesen nem kívánt örvényáramokat hoznak létre a rotor belsejében. Ugyanakkor, amikor a feszültségformák torzulnak, a transzformátorok keményebben dolgoznak, mint ahogy tervezték őket, gyakran meghaladva a névleges kVA határértékeiket. Egy 2023-as tanulmány a villamosenergia-rendszerekről aggasztó eredményre jutott a létesítménygazdák számára. Azokban az üzemekben, ahol a teljes harmonikus torzítás 18% felett van, a kábel szigetelése kb. 25%-kal gyorsabban bomlik le, mint az IEEE-519 szabványnak megfelelően működőkben. Ez a fajta elhasználódás idővel felhalmozódik, és pénzbe kerül javításokban és cserékben.

Aktív harmonikus szűrő szerepe a túlmelegedés csökkentésében és a berendezések élettartamának meghosszabbításában

Az aktív harmonikus szűrők azonnal ellentétes harmonikus áramokat állítanak elő a keletkező torzításokkal szemben, csökkentve ezzel a hőterhelést. Több gyári teszt szerint ez körülbelül 18 °C-kal (kb. 32 °F) csökkenti a transzformátorok hőmérsékletét. A passzív szűrők ettől eltérően néha rezonancia-problémákat okozhatnak. Az újabb aktív típusok automatikusan alkalmazkodnak a változó harmonikus mintázatokhoz, amire a régebbi rendszerek képtelenek. A legtöbb létesítménynél a teljesítménytényező a beépítés után 0,98 fölé emelkedik, bár az eredmények a konkrét körülményektől és a berendezések korától függően változhatnak.

Esettanulmány: Motorhibák csökkentése ipari létesítményben aktív harmonikus szűrő beépítésével

Egy Közép-Nyugat-i csomagolóüzem 72%-kal csökkentette a motorcsere költségeit a 600A-es aktív harmonikus szűrőrendszer telepítését követő 12 hónap alatt. A rögzített adatok a következőket mutatták:

Paraméter	Telepítés Előtt	Utánzsi
Motortekercs hőmérséklete	148°C	112°C
Csapágyak cseréje	19/hó	5/hó
Energia költségek	$42 800/hó	$37 200/hó

A 186 000 USD befektetés 22 hónap alatt teljes mértékben megtérült a kombinált energiamegtakarítás és csökkent karbantartási költségek révén.

Gyakori hibák érzékeny elektronikus rendszerekben

A torzító zavarok hatása a vezérlőrendszerekre és az IT infrastruktúrára

Amikor a harmonikus szennyeződés bekerül a rendszerbe, az tisztára elrontja a feszültségformát, és számos problémát okoz a finom elektronikai berendezéseknek. A számok is sokatmondóak. Azokban a létesítményekben, ahol a feszültség teljes harmonikus torzítás (THD) 5% feletti, körülbelül egyharmaddal több PLC hibakód jelentkezett a rendszereiken. És amikor a THD 8% fölé emelkedik, a szerverek majdnem másfélszer gyakrabban igényelnek újraindítást, ezt 2023-as ipari felmérések eredményei is megerősítik. Amiről sok mérnök nem beszél eleget, az az, hogy a kondenzátor dielektrikumán belüli feszültségfokozódás hogyan halmozódik fel ezektől a harmonikus áramoktól, ami szó szerint gyorsabban kopasztja a nyomtatott áramköröket a normálisnál. Ez a probléma különösen nagy fejfájást jelent azoknak a helyeknek, ahol sok frekvenciaváltót és kapcsolóüzemű tápegységet használnak, amelyeket ma már mindenhol látni. Ezen eszközök egyedül a modern épületek villamos hálózataiban folyó harmonikus áramok 60 és 85 százalékáért felelősek.

Tiszta áram visszaállítása aktív harmonikus szűrőkkel hullámforma-korrekció révén

Az aktív harmonikus szűrők valós idejű figyelést és IGBT (szigetelt kapujú bipoláris tranzisztor) technológiát használnak a harmonikus frekvenciák (2–50. rend) észlelésére, ellentétes fázisú áramok beinjektálására, valamint a torzítási tényező (THD) 3% alá csökkentésére. A tiszta szinuszos hullámforma újraépítésével ezek a rendszerek kiküszöbölik a digitális vezérlőrendszerekben adatsérülést okozó feszültségcsorbítási események 92%-át.

Gyakorlati alkalmazás: Érzékeny fogyasztók védelme kereskedelmi épületekben

Egy Közép-Nyugaton található adatközpontban jelentős csökkenést észleltek a SCADA-rendszer hibáiban – körülbelül 78 százalékkal – miután bevezettek egy 400 A-es aktív harmonikus szűrőt. A szűrő hatására a THD-érték az eddig problémás 15%-os szintről olyan tartományba csökkent, amit a legtöbben normálisnak tekintenek. Ez a megoldás több kellemetlen problémát is orvosolt, köztük a gyakori, EMI okozta tűzfal újraindulásokat, amelyek mindig rosszkor következtek be. Emellett csökkentek a feszültségesések, amelyek korábban befolyásolták a hőmérséklet-szabályozó rendszereket kritikus műveletek során, és végre megszűntek az állandó hamis riasztások az UPS-rendszerekből, amelyek addig folyamatosan zavarták a dolgozókat. A költségek vonatkozásában az éves karbantartási kiadások majdnem felére csökkentek, ami jól szemlélteti, milyen fontos a megfelelő harmonikus kezelés ahhoz, hogy a működés napról napra zavartalanul folyhasson váratlan megszakítások nélkül.

Kondenzátorbank túlterhelése és harmonikus rezonancia problémák

A meddőteljesítmény-kompenzációs rendszerek komoly problémákkal néznek szembe, amikor harmonikus rezonancia lép fel. A kondenzátorbankok problémát okozhatnak, ha bizonyos harmonikus frekvenciákon kölcsönhatásba lépnek a rendszer induktivitásával. Ennek során az impedancia hirtelen csökkenhet, ami torzító áramok növekedéséhez vezethet, akár 400 százalékkal is az IEEE 18-2020 szabvány szerint. Ennek a helyzetnek az eredménye a kondenzátorok gyorsabb elhasználódása, mivel több tényező is szerepet játszik. Ilyenek a dielektromos feszültség az elektromos erők hatására, az engedélyezett értékeket meghaladó áramerősségek, valamint a berendezés belsejében jelentősen emelkedő hőmérséklet a felesleges hő termelődése miatt. Ezek az együttes hatások jelentősen lerövidítik az érintett alkatrészek élettartamát.

A harmonikus rezonancia veszélyének megértése a meddőteljesítmény-kompenzációs rendszerekben

Az ipari környezetben fellépő kondenzátorhibák 73 százaléka a nem diagnosztizált harmonikus rezonanciából adódik (IEEE Power Quality Report 2022). A hagyományos teljesítménytényező-javító rendszerek súlyosbíthatják a problémát, amikor a harmonikus frekvenciák egybeesnek a természetes rezonanciafrekvenciákkal, amelyek így számíthatók ki:

f_resonance = f_base × √(SSC / Q)

Ahol SSC a villamosenergia-rendszer rövidzárlati teljesítménye, Q pedig a kondenzátorbank névleges teljesítménye. Mint azt a legutóbbi villamos minőségű tanulmányok is mutatják, a gyakori 5. és 7. harmonikusok (300–420 Hz) gyakran rezonanciát idéznek elő a szabványos 50 Hz/60 Hz hálózatokban.

Kondenzátorhibák megelőzése passzív megoldások helyett aktív harmonikaszűrők alkalmazásával

A modern aktív harmonikaszűrők 50 mikroszekundumon belül injektálnak kompenzáló áramot – 25-ször gyorsabban, mint a tipikus kondenzátorok válaszideje – anélkül, hogy új rezonanciakockázatot okoznának. Ellentétben a passzív szűrőkkel, ezek széles spektrumú korrekciót nyújtanak a 2. és 51. harmonikusig, és nincs szükség kézi hangolásra.

Funkció	Passzív szűrők	Aktív szűrők
Rezonancia kockázat	Magas	Nincs
THD csökkentési tartomány	Rögzített frekvenciák	2.–51. harmonikus
Karbantartási igények	Negyedévenkénti hangolás	Öni figyelés

Egy 2023-as, 47 létesítményt áttekintő technikai felülvizsgálat kimutatta, hogy az aktív szűrők telepítése 92%-kal csökkentette a kondenzátorok cseréjének költségeit a passzív rendszerekhez képest, és a megtakarításoknak köszönhetően a megtérülési idő 14 hónap alatt realizálódott a leállások és karbantartások elkerülésével.

A teljes harmonikus torzítás (THD) magas szintje, amely meghaladja az előírt határértékeket

Feszültség- és áram-THD mérése a villamosenergia-minőségi előírások betartásának értékeléséhez (pl. IEEE-519)

A THD, azaz a teljes harmonikus torzítás lényegében azt mutatja meg, mennyi nem kívánt harmonikus zaj van jelen az elektromos rendszereinkben. A 2022-es legújabb IEEE szabvány azt javasolja, hogy a feszültségtorzítás 5% alatt, a áramtorzítás pedig 8% alatt maradjon. De nézzen körül a mai ipari létesítmények többségében, különösen ott, ahol sok frekvenciaváltót üzemeltetnek, és mit talál? A THD-értékek gyakran meghaladják a 15%-ot a rendszer kulcsfontosságú pontjaiban. Ez körülbelül 2,7-szer magasabb, mint ami elfogadhatónak számít. És a helyzet még rosszabb, ha a legfrissebb adatokat vesszük figyelembe. Egy 2024-ben közzétett megfelelőségi jelentés szerint az Egyesült Államok gyártóüzemeinek körülbelül ötöde továbbra is nehézségeket tapasztal a THD-szintek tekintetében, túllépve az új szabványokat, annak ellenére, hogy a szabályozók enyhítettek kissé a megújuló energiaforrások alkalmazása érdekében.

Aktív harmonikus szűrők valós idejű THD-csökkentéshez >18%-ról <5%-ra

A harmonikus szűrők valójában meglehetősen gyorsan működnek, eltávolítva a zavaró torzításokat mindössze 2 milliszekundum alatt, ahogyan azt a 2023-as néhány friss teszt is mutatta. Ezek az eszközök rendelkeznek egy okos, beépített alkalmazkodó képességgel, amely biztosítja a megfelelőséget akkor is, amikor különféle furcsa villamos terhelésekkel kell dolgozni, mint például a nagy ipari robotok, amelyek a gyárakban mozognak, vagy azok a szupergyors EV töltőállomások, amelyek mindenhol felbukkannak. Vegyünk egy félvezetőgyárat példaként: komoly problémái voltak a villamosenergia-minőséggel, ami zavarta a termelést. Miután beépítették ezeket a moduláris aktív szűrőket, sikerült drasztikusan csökkenteniük a feszültség THD-szintjüket körülbelül 17,8%-ról kb. 3,2%-ra. Ez az változás évente körülbelül 740 ezer dollárt takarított meg nekik, mivel már nem veszítettek annyi lemezt a bosszantó feszültségingadozások miatt, amelyek korábban állandóan tönkretették a gyártási sorozatokat.

Növekvő iparági tendencia: Létesítmények aktív harmonikus szűrők alkalmazása a szabályozási határértékek betartása érdekében

A Grand View Research 2024-es jelentése szerint a világszerte aktív harmonikus szűrők piaca évi kb. 8,9%-os ütemben növekszik majd 2030-ig. Ennek nagy része azon szigorú áramminőségi előírásoknak köszönhető, amelyeket jelenleg 14 G20 országban alkalmaznak. Számos élelmiszer-feldolgozó vállalat elkezdte lecserélni a hagyományos kondenzátorbankokat ezekre a modern aktív rendszerekre. A szektort figyelemmel kísérő jelentések szerint a létesítmények majdnem kétharmada csökkentette karbantartási költségeit a beüzemelés után, miközben majdnem az ötödük sikerrel megszerezte az elismert ENERGY STAR minősítést működéséhez. Mindezen fejlesztések mögött valójában az áll, hogy az energiaszolgáltatók egyre szigorúbban lépnek fel a teljes harmonikus torzítással (THD) kapcsolatos problémák miatt. Azokat a létesítményeket, ahol a torzítás hosszabb ideig meghaladja a 8%-ot, kereskedelmi területeken akár 12 dollár büntetés is terhelhet kilowattóránként.

GYIK

Mi az a harmonikus torzítás?

A villamos rendszerekben a harmonikus torzítás a tiszta szinuszos hullámformától való eltérést jelenti, amelyet általában nemlineáris terhelések, például motorok vagy elektronikai eszközök okoznak.

Hogyan befolyásolja a torzítás a transzformátorokat?

A torzított hullámformák túlterhelhetik a transzformátorokat, ami miatt azok teljesítményükön túlmenően működhetnek, ezzel túlmelegedést és idő előtti meghibásodást okozva.

Mik az aktív harmonikus szűrők?

Az aktív harmonikus szűrők olyan fejlett eszközök, amelyek a harmonikus áramokat ellentétes fázisú jelek beinjektálásával semlegesítik, így csökkentve a teljes harmonikus torzítást (THD) az elektromos rendszerekben.

Miért okoznak harmonikus szennyezést a frekvenciaváltók?

A frekvenciaváltók megváltoztatják a motoroknak szánt energiafrekvenciát, harmonikus áramokat létrehozva, amelyek hozzájárulnak az elektromos rendszer szennyezettségéhez.