Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Torzító harmonikusok a hálózaton

| |  9547 |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Torzító harmonikusok a hálózaton

Napjaink egyik nagy problémája a harmonikusok elszaporodása a villamos hálózaton. A gyakorlatban egyre többet kell foglalkozni a jelenséggel, hálózati analízist végezni, kiszűrni a nem kívánatos jelenséget. Mik, és hogyan okozzák mindezt, erre adunk némi magyarázatot.

Régi jó ismerős

Ha harmonikusokkal „szennyezett” az elosztó hálózat, akkor az energiaszolgáltatás minőségi paraméterei is jelentős mértékben romlanak. Megnő az áram valódi effektív értéke (rms), a nulla vezetőben, a generátorokban, motorokban és transzformátorokban túlterhelés következhet be. A villamos készülékek nem kívánt rázkódásnak és korai öregedésnek lehetnek kitéve, valamint növekszik a transzformátorok zúgása, nem kívánt hanghatása is.  Nem is beszélve a fázisjavító kondenzátorok túlterhelődéséről, amely szintén korai öregedésükhöz és idő előtti cseréhez vezetnek, jelentős kiadást generálva a felhasználóknak. A 3-fázisú, szimmetrikus rendszerben, ha nincsenek áramharmonikusok, a 0 vezetőben nem folyik áram. Harmonikusok jelenléténél azonban a 0 vezetőben is jelentős áram folyik, ami többszöröse lehet a fázisáramnak. A védelmek indokolatlanul megszólalhatnak, ez csökkenti az energiaellátás biztonságát, a védelem megszakítóinak élettartamát. A meddőáram kompenzáló rendszerek működésében zavart okoz, rezonáns feszültségeket kelt a hálózat induktív jellege és a meddőkompenzáló kapacitív rendszer alkotta rezonáns körben.

Évtizedekkel ezelőtt a felharmonikusok nem jelentettek akkora problémát, mert hatásuk az elosztó hálózatra általában elenyészően csekély volt, azonban a teljesítmény félvezetők ma már szerves részei a mindennapoknak, így számolnunk kell ezen negatív hatásokkal. Azonban a villamosenergia-rendszerben a harmonikus áramok régóta jelen vannak. A gerjesztett vasmagos berendezések harmonikusain kívül kezdetben a különböző célú ipari alkalmazású higanygőz áramirányítók harmonikus áramai voltak a dominánsak. A 3-fázisú elosztóhálózatokban leggyakrabban páratlan felharmonikusok fordulnak elő, amelyeket mindenképpen meg kell figyelni az a 3, 5, 7, 11, és 13 rendszámú felharmónikus.

Felharmonikus „gyár”

A felharmonikusokat a nemlineáris terhelések keltik, ilyenek a hegesztőgépek, ívkemencék, UPS-ek, számítógépek, háztartási gépek és eszközök, fénycsövek, transzformátorok stb. Az ideális energiarendszer feszültség- és áramjelalakjai tiszta alapharmonikus frekvenciájú szinuszhullámok. A gyakorlatban nemszinuszos áramok is keletkeznek, amikor a terhelés árama nem lineárisan függ a tápfeszültségtől. Ellenállást, induktivitást és kapacitást tartalmazó lineáris áramkör árama adott frekvencián arányosan változik a ráadott feszültséggel, ezért, ha a feszültség szinuszos, az áram is az lesz. Ha a terhelés reaktív elemet is tartalmaz, akkor a feszültség- és az áram jelek között fáziseltolás van. Ez a fázistényező csökkenthető, de az áramkör akkor is lineáris marad. A valóságban a terhelés karakterisztikája (és ennek következtében a terhelés árama is tartalmazhat aszimmetriát és hiszterézist, valamint a töréspontok és meredekségek függhetnek a feszültségtől és a terhelő áramtól. Bármely periodikus jelalak felbontható az alapharmonikusának megfelelő szinusz hullámra és végtelen sok ugyancsak szinuszos felharmonikus összetevőre. Ha a jel oly módon szimmetrikus, hogy a pozitív és negatív félhullámok megegyeznek, a jel nem tartalmaz páros rendszámú harmonikusokat.

A páros rendszámú harmonikusok jelenleg ritkán jelentkeznek, régebben azonban gyakori volt, mivel az egyutas egyenirányítást széles körűen alkalmazták. Az alapharmonikus feszültségforrás nem tartalmaz felharmonikust, ezért harmonikus frekvenciákon rövidzár. A táphálózat impedanciája frekvenciafüggő. A nemlineáris terhelés által keltett harmonikus áramok – pontosabban szólva a terhelés által alapharmonikusból felharmonikusra átalakított áramok – a hálózati impedanciákon keresztül kényszerülnek záródni. Ennek következtében harmonikus feszültségesések keletkeznek a hálózat elemein és a harmonikus feszültségek megjelennek az egész létesítmény minden elemén. A harmonikusforrások néha úgy látszanak, mintha feszültséggenerátorok lennének, ha ez igaz lenne akkor a táphálózat impedanciájának nem lenne hatása a rajta kialakult feszültségtorzulásra. A valóságban a létrejövő feszültségtorzulás (korlátozott mértékig) arányos a táphálózat impedanciájával, ami bizonyítja, hogy áramgenerátor jellegű a harmonikus forrás. A táphálózat impedanciája általában nagyon kicsi, ezért kicsi lesz a harmonikus áram okozta feszültségtorzulás is, sokszor olyan kicsi, hogy elvész a háttérzajban. Ez félrevezető lehet, mert azt a látszatot kelti, hogy nincs harmonikus probléma, noha valójában nagyok a harmonikus áramok. A probléma ahhoz hasonlítható, amikor földben folyó köráramot feszültség méréssel szeretnénk megtalálni. Amikor harmonikusra gyanakszunk, vagy bizonyítani próbáljuk, hogy nincs, áramot kell mérni.

Hadd legyen szinusz a szinusz!

Régebben a harmonikusokat a  hálózatra kapcsolt soros rezgőkörök alkalmazásával próbálták kiküszöbölni. Működési elve szerint a rezonancia frekvencián kisebb impedanciával rendelkező soros körön keresztül záródnak a harmonikus áramok. A módszernek a legnagyobb hátránya az, hogy számos nagy kapacitású kondenzátor kell a felharmonikus frekvenciák számára szükséges kis impedanciák eléréséhez. Ennek hatására a hálózat eredőben kapacitívvá válik és előfordulhat, hogy „indirekt” meddőkompenzációt kell alkalmazni a hálózat kapacitív jellegének megszüntetéséhez.

Ha a belső hálózaton csoportosítják a fogyasztókat lineáris és nem lineáris fogyasztókra, harmonikusok tekintetében jelentős javulás érhető el. Így a nemlineáris fogyasztók által a belső hálózat impedanciáján okozott feszültségtorzulás nem kerül a lineáris fogyasztók tápfeszültségére, csak a csatlakozási ponttól a táppontig tartó közös szakasz feszültségtorzulását észlelik, ami általában 20-30%-al kisebb, mintha közös hálózaton jönne létre a feszültségtorzulás. Ezen felül egyedi transzformátorok alkalmazásával is kiszűrhetők a harmonikusok. Az egyik legegyszerűbb megoldás a harmadik harmonikus kiszűrésére, amelyet minden KÖF/KIF transzformátor alapból ellát úgy, hogy a földelt csillag/delta kapcsolású transzformátorok esetében a delta oldalra nem kerül át a 3. harmonikus áram. Ez nem csak a KÖF/KIF átalakítás esetében alkalmazható, hanem leválasztó transzformátorként is alkalmazhatjuk a kapcsolást, amely biztosítja a harmadik harmonikus kiszűrését. Itt azért megemlíteném, hogy a nulla vezető keresztmetszetének megválasztásakor feltétlenül figyelembe kell venni a hálózat harmonikus tartalmát.

Az aktív harmonikus szűrőkkel a fogyasztói áram jelét alakítják minél tökéletesebbre úgy, hogy a fogyasztó által felvett harmonikusokkal szennyezett áramba ellenkező előjelű harmonikus áramot táplálnak be „valós időben”, ezáltal a hálózat felé tiszta (50 Hz) szinuszos jelalak jelenik meg, amely nem torzítja el a hálózati feszültséget. A manapság előforduló aktív harmonikus szűrök mindezt 300-500 µs-os válaszidővel képesek követni, amit a 20 ms-es periódusidőhöz érdemes viszonyítani. A kompenzálást az 50. harmonikusig végzik, a gyakorlatban azonban a 25. harmonikus felett már nem igazán fordulnak elő kompenzálandó áramok. A jelalakok előállításához IGBT-ket használnak 10-15 kHz-es kapcsolási sebességgel.

Szigorúbb szabványok kellenek

A napjainkban készülő villamos berendezések többségében van kapcsolóüzemű tápegység, vagy ezek a berendezések valamilyen módon szabályozható teljesítményűek, ezért nemlineáris terhelések. Lineáris terhelés típus ma már kevés van, leggyakoribbak a fényerő szabályozó nélküli izzólámpák, szabályozatlan melegvíz tárolók és villamos fűtések. A harmonikus problémák többségét az iparban a számítógépek okozzák. Szigorú - az előírások betartását kötelező mérésekkel ellenőrző - szabványok bevezetése nélkül bizonyosra vehető, hogy a hálózatok harmonikus szennyezettsége az egyre nagyobb számban telepített nemlineáris terhelések miatt tovább nő. Ez a kérdés lényegében olyan üzleti kockázati befektetés, amelyet körültekintő tervezéssel, megfelelő minőségű villamos berendezésekkel és helyes szereléssel lehet és kell kezelni.

FelharmonikusMéréstechnika