Villanyszerelők Lapja

Eszközeink

Miért hallunk egyre többet a villamosenergia-minőségről?

2018. május 16. | Kropkó László Gergő villamosmérnök |  3369 | |

Miért hallunk egyre többet a villamosenergia-minőségről?

A villamos szakemberek környezetében manapság igen gyakran előkerülő fogalom a felharmonikusok. Manapság az 50 Hz-nél magasabb frekvenciákon jelentkező hálózati zavarok műszaki hátteréről nem lehet elégszer beszélni, mert egyre gyakoribbak a felharmonikusok okozta hálózati problémák, melyekre az üzemeltetők keresik a válaszokat. Jelen cikkben szeretném felhívni a figyelmet a modern villamos hálózatokra leselkedő veszélyforrásokra, és mindenki számára világos tájékoztatást adni arról, hogy miért rendkívül fontos dolog a megfelelő felharmonikusszűrés kivitelezése.

A villamosenergia-felhasználók gyakran szenvednek az ellátás nem megfelelő energiaminőségétől. A megbízhatóság és a hatékonyság alapvető fontosságú az üzleti tevékenységek esetében. Ez magában foglalja a gépek, termelőberendezések és irodai eszközök zavarmentes üzemelését is. Azonban ezek a feltételek nem mindig állnak fenn, még szünetmentes tápegységek (UPS) és tartalékgenerátorok alkalmazása mellett sem. A hibák okai gyakran nem nyilvánvalóak. Az energiaminőségi problémák általában az ilyen jellegű hibák fő okozói, melyek esetében mérésekkel és hálózati analízisekkel lehet fényt deríteni a problémák fő okaira. A felharmonikusokkal terhelt hálózat és vezetékek nem használhatók ki teljes mértékben, emiatt az ilyen hálózatok százalékos vesztesége magas. A villamos berendezések üzemelőinek a felharmonikusok hatására megnövekedett elhasználódásra, rövidebb üzemidőre kell számítaniuk, és fel kell készülniük arra is, hogy a megnövekedett felharmonikustorzítás hatására teljes rendszerleállás, védelmek hibás működése is történhet. Azt mondani se kell, hogy a váratlan energiaellátási problémák mekkora gondot tudnak okozni a fogyasztók számára. Emiatt fontosnak tartom, hogy a villamos beruházások során a beruházók ne csak az olyan szempontokat vegyék figyelembe, mint az ár és az energiamegtakarítás.

Az olyan modern villamos berendezések, mint a változtatható sebességű motorhajtások, az elektronikus eszközökben alkalmazott kapcsolóüzemű tápegységek, vagy a fénycsöves lámpatestek előtétjei mind jelentősen hozzájárulnak az energiamegtakarításhoz és a villamosság sokkal hatékonyabb felhasználásához. Ugyanakkor a működési módjuk szinuszostól eltérő áramfelvételt eredményez a hálózatból. Ez a nem szinuszos áram az alapharmonikus 50 Hz frekvenciájú jelalakból és ennek egész számú többszöröseiből, a felharmonikusokból áll. A harmonikus áramok keresztülfolynak a hálózati impedanciákon, transzformátorokon, induktivitásokon és harmonikus feszültségek kialakulását eredményezik. Ennek eredményeként a többi, ugyanarra a hálózati ágra csatlakozó fogyasztó tápfeszültsége torzul, ezzel kérdéseket felvetve a berendezések élettartamával, funkcionalitásával és megbízhatóságával kapcsolatban. Mindegy, hogy prések, hegesztőberendezések, fordulatszám-vezérelt hajtások vagy villanymotorok vannak a hálózaton, manapság csaknem minden nemlineáris fogyasztó súlyos feszültségtorzítást okozhat.

1. ábra: Áram- és feszültségtorzítás nemlineáris fogyasztók esetében (Forrás: Schaffner)

A felharmonikusok hatásai

A felharmonikusok csökkentik a villamos rendszer hatékonyságát és jelentős energiaveszteséget okoznak. A harmonikus áramok túlterhelik és melegítik a villamos berendezéseket, az elosztó transzformátorokat, megszakítókat, biztosítókat, vezetékeket stb. Ez a rendszer idő előtti öregedéséhez vezet és a villamosenergia-rendszer kapacitásának növelését teszi szükségessé. A harmonikusok túlterhelik a kondenzátortelepeket a fázisjavító berendezésekben és az elektronikus vezérlések hibás működéséhez vezetnek, zavarokat okoznak az érzékeny orvosi eszközökben és összeomlásokat a kommunikációs hálózaton.

2. ábra: Példa egy 5.5 kW-os villamos hajtás felharmonikus szűrésére (Forrás: Schaffner)

Pénzügyi hatások

Sajnos az üzemeltetők a felharmonikusok csökkentését költséges kellemetlenségnek tekintik. Nagyon gyakran a tervezési fázisban nem kerül bele a projekt költségvetésébe az energiaminőséget javító szűrőberendezés, ugyanakkor a figyelmen kívül hagyása potenciálisan jelentős költségkövetkezményekkel jár. Előfordulhat, hogy a villamos hálózat kapacitását kell utólagosan megnövelni, esetleg a drága berendezések hibásodnak meg idő előtt, vagy a hálózati zavarok okoznak termeléskiesést. Magyarországon még nem rónak ki büntetődíjakat az energiaszolgáltatók a minőségi előírásokat megszegőkre, de elképzelhető, hogy a súlyosbodó hálózati problémák hatására ez a forgatókönyv is előfordulhat.
Fontos, hogy a felelős üzemirányítók, műszaki szakemberek időben észrevegyék az energiaminőség fontosságát és megelőzzék a felharmonikus problémákat a villamos hálózatokon! A szűrőberendezések beszerzési költségét a kockázati tőkével kell összevetni. Ha a gyárak, gépsorok vagy a gazdasági szempontból létfontosságú berendezések váratlanul leállnak, az lényegesen nagyobb kiesést, pénzügyi veszteséget okozhat a vállalkozások számára, mint egy aktív felharmonikusszűrő beszerzése. Az üzemvezetők akkor járnak el helyesen, ha hálózati analízissel felmérik a villamos hálózat kockázatait, és megvalósítják a szükséges megelőző intézkedéseket a leállások elkerülése érdekében.

Energiaminőség egyszerűbben

Az aktív harmonikusszűrők gazdaságos választ adnak a harmonikustartalom csökkentésének kihívására háromfázisú rendszerekben. A plug-and-play megközelítéssel ezek a berendezések könnyen és gyorsan felszerelhetők és üzembe helyezhetők. Növelik az elektronikus eszközök megbízhatóságát és működési élettartamát, segítenek az elektromos rendszer kapacitásainak jobb kihasználásában, valamint kulcsfontosságúak az energiaminőségi szabványoknak való megfelelés szempontjából is. A következő szabványok és irányelvek tartalmaznak megállapításokat a hálózatok/készülékek felharmonikusaira vonatkozóan: EN 61000-2-2, EN 61000-2-4, EN 61000-2-4, EN 61000-3-2, EN 61000-3-12, EN 61000-3-3, valamint EN 50160, TOR D2, IEEE 519-1992 és D.A.CH.CZ.

Az aktív harmonikusszűrők a következőket nyújtják:

  • a felharmonikus áramok hatékony csökkentése,
  • megfelelés az IEEE 519 vagy egyéb energiaminőségi szabványoknak,
  • a berendezések hosszabb élettartama és nagyobb megbízhatósága a kritikus fontosságú alkalmazások esetében,
  • a villamos rendszer kapacitásainak hatékonyabb kihasználása,
  • hosszú távú megtakarítások a rendszerüzemeltetés és karbantartás területén,
  • energiamegtakarítás,
  • gyors és egyszerű plug-and-play működés.

Az aktív harmonikusszűrők kisimítják a felharmonikus hullámokat. Az aktív harmonikusszűrők praktikusan alkalmazhatók minden olyan teljesítményelektronikai berendezés esetében, melyek 6 ütemű egyenirányítón keresztül tápláltak és esetükben a harmonikusok értékét a meghatározott határok alá kell csökkenteni. Tipikus alkalmazások, ahol a nem szinuszos fogyasztók a terhelés jelentős részét adják:

  • 6 ütemű egyenirányítóval táplált berendezések,
  • villamos hajtások,
  • gyártásautomatizálási technológiák,
  • UPS és háromfázisú tápegységek,
  • víz- és szennyvízkezelő létesítmények,
  • olaj- és földgázfeltárás,
  • nehézipar és gépgyártás,
  • zárt rendszerek (pl. hajók),
  • hűtőberendezések és szivattyúk,
  • akkumulátortöltők,
  • épületgépészeti alkalmazások,
  • az üzemvitel szempontjából kritikus folyamatok.

Az energiaminőség varázsszóvá lépett elő az ipar minden területén. Bár a definíciók eltérnek, senki sem vitatja a fontosságát és a nem megfelelő energiaminőség következményeit. A villamosenergia-szolgáltatók gyakran kerülnek frusztrált ügyfelek kereszttüzébe. Azonban több zavarjelenség, mint például az elektromágneses interferencia vagy a felharmonikusok nem írható a szolgáltató számlájára, sokkal inkább a villamosenergia-rendszer felhasználóira, illetve a csatlakozó terhelések fajtáira.

Költség- és energiamegtakarítás

Az aktív harmonikusszűrők redukáljak a felharmonikusokat és biztosítják a szinuszos áramformát a hálózat felé. A valódi RMS és az áramcsúcsértek is csökken a folyamat során, így csökkentve a villamos hálózat elemeinek terhelését.
A kisfeszültségű hálózati elemek, mint a transzformátorok, vezetékek, biztosítók, megszakítók kevesebb villamos és hőmérsékleti igénybevételt tapasztalnak a megfelelően méretezett szűrők alkalmazásával. Emiatt már a tervezési fázisban is kisebbre méretezhetők a villamos berendezések. Egy meglévő rendszerben az energiaátviteli transzformátor sokkal hatékonyabban használható, és így több fogyasztó (pl. motorok) működtethető villamosrendszer-fejlesztési beruházások nélkül.

A különleges tervezésüknek köszönhetően a korszerű aktív harmonikusszűrők egy további impedanciát adnak a tápforráshoz, így a hagyományos AC hálózati fojtók minden előnyét is magukban hordozzák. Például villamos hajtások esetében megszüntetik a nem kívánt kioldásokat, védik az egyenirányítót és a DC-köri kondenzátorokat a hálózati tranziensektől. A hosszabb működési élettartam és a kritikus folyamatok megbízhatóbb működése csökkenti a tulajdonosi költségeket és segít a profit megőrzésében. Könnyen beépíthetők meglévő tervekbe anélkül, hogy szükség volna mélyreható rendszervizsgálatra vagy magasan képzett specialistákra. Az aktív harmonikusszűrők nem vonzzák a harmonikusokat a hálózat más részeiről és nem okoznak hálózati rezonanciát, a hálózaton üzemelő DC-köri fojtótekercsekkel és az EMC/EMI szűrőkkel való zavartalan együttműködésre lettek tervezve.

Az aktív harmonikusszűrő közvetlenül és megbízhatóan kompenzálja a felharmonikus áramokat és képes a fázisjavítási problémák megoldására is, ezáltal javítva az energiaminőséget és csökkenti a költségeket. A meddőenergia-csökkentés általi megtakarítások könnyedén kiszámíthatók. Ellenben a csekélyebb berendezés elhasználódásából, a kevesebb hibaelhárításból vagy a teljesen megakadályozott termeléskiesésekből fakadó megtakarítások számszerűsítése már szinte lehetetlen. Különböző tanulmányok bizonyítják, hogy az ilyen jellegű események éves szinten milliós nagyságrendű kárt okoznak. Az aktív harmonikusszűrő emiatt jó befektetés minden olyan területen, ahol a hálózati visszahatások problémákat jelenthetnek.

A modern aktív felharmonikusszűrők rendkívüli gyorsasággal, 300 μs alatt reagálnak, és kompenzálják a hálózati zavarokat, még mielőtt azok kárt okozhatnának. Ez a válaszidő egy olyan műszaki optimumot jelent, amivel egy megbízható szűrési megoldást lehet megvalósítani egészen az 50. felharmonikus rendszámig, még a dinamikus fogyasztók kompenzálása esetében is.

Az alkalmazási feladatoknak megfelelően széles modellpalettából tudnak választani a felhasználók, 30 A-től 300 A kompenzáló áramig, 400-tól 480 V-ig, 3 és 4 vezetékes kivitelben is elérhetőek a felharmonikusszűrők.
Összefoglalva: az aktív harmonikusszűrő nélkül a felharmonikusok és a meddő energia terhelik az elektromos hálózatot, ezek problémákat eredményeznek, míg aktív harmonikusszűrő használatával a felharmonikusok és a meddő teljesítmény kompenzációjával biztosítható a jobb feszültségminőség elérése, ezáltal javul az üzembiztonság.

3. ábra: A villamos hálózati elemek kihasználhatósága felharmonikus szűrőkkel és szűrők nélkül.

4. kép: Harmonikusmérés és elemzés terepen.

5. kép: Harmonikusmérés és elemzés terepen.

Felharmonikusszűrő tervezési/kiválasztási segédlet

  • 30/60 A-es kompenzáló áram
    Ideális felharmonikusszűrő berendezés az épületüzemeltetési alkalmazásokhoz. Gyakran alkalmaznak 30/60 A-es kompakt aktív szűrőket bankokban, adatközpontokban, kórházakban és irodaházakban. Az ilyen épületekben az ellátásbiztonság kiemelt jelentőségű, emiatt döntöttek számtalan intézményben a felharmonikusok dinamikus kompenzálása mellett egy kompakt és egyszerűen telepíthető felharmonikusszűrési megoldás mellett.
  • 100/120 A-es kompenzáló áram
    Felharmonikusszűrő megoldás szinte minden alkalmazási területre. Ez az alaptechnológia az olyan felhasználók számára jelent ideális szűrést, akik kezdettől több teljesítményt igényelnek, és akik központi szűrést akarnak megvalósítani. A legfontosabb alkalmazási területek a modern teljesítményelektronikai berendezéseket, frekvenciaváltós hajtásokat alkalmazó gyárak. De áruházak, bevásárlóközpontok és irodaházak is gyakran döntenek 100/120 A-es felharmonikusszűrők mellett.
  • 200/250/300 A-es kompenzáló áram
    Az ipari környezetben alkalmazható csúcstechnológiát jelentik a 200/250/300 A-es aktív felharmonikusszűrők. Ezek a szűrők megfelelnek a legszigorúbb követelményeknek is, valamint alkalmazhatók olyan nagy gyártólétesítményekben, mint például az autógyárak.

Látható, hogy az aktív harmonikusszűrők intelligens megoldást kínálnak rengeteg alkalmazási területre. Segítséget nyújtanak azon felhasználók számára, akiknek elsődleges az ellátásbiztonság és a hatékony energiafelhasználás. A fenntartható villamos hálózatok érdekében a legtöbb ország rendelkezik a felharmonikusok kibocsátására vonatkozó szabványokkal és határértékekkel. Az energiát fogyasztó cégek és létesítmények kénytelenek a belső hálózatukat ellenőrizni és a határértékek betartásáról gondoskodni. Kritikus esetben az energiaszolgáltató az áramellátást akár meg is szakíthatja. Az aktív harmonikusszűrők segítségével a megállapított eltérések könnyedén csökkenthetők úgy, hogy az érték ismét határon belülre kerüljön. Az aktív harmonikusszűrő alkalmazása a legegyszerűbb módja annak, hogy ezeket a szabványokat és határértékeket betartsuk.