Deformacje przebiegów sinusoidalnych i ich wpływ na urządzenia i systemy

Każde urządzenie elektroniczne, energoelektroniczne, a nawet energooszczędna oprawa oświetleniowa sprawia, że pobierany przez nią prąd ma kształt, w mniejszym lub większym stopniu, odbiegający od sinusoidy. Z kolei tak zniekształcony prąd płynie od odbiornika energii elektrycznej do do jej źródła powodując tym samym deformację przebiegu napięcia. Odbiorniki nieliniowe są więc przyczyną powstawania odkształceń, gdyż wprowadzają do sieci zasilającej lub instalacji odbiorczej wyższe harmoniczne (składowe przebiegu czasowego o częstotliwości będącej całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej), a nawet interharmoniczne (składowe przebiegu czasowego o częstotliwości niebędącej całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej). W praktyce jedynie żarówki (niewyposażone w ściemniacze), a także grzejniki (niewyposażone w sterowanie elektroniczne) nie powodują wspomnianych odkształceń harmonicznych, czyli nie pogarszają jakości energii elektrycznej. Wzrastająca liczba odbiorników małej mocy – w szczególności tych wyposażonych w zasilacze impulsowe (SMPS – ang. Switched Mode Power Supply, pobierające impulsy prądu zawierające wyższe harmoniczne) powoduje negatywne oddziaływanie na sieć zasilającą lub instalację odbiorczą.

Wpływ zasilania odbiorników energii elektrycznej napięciem odkształconym przeanalizowano na przykładzie: źródeł światła stosowanych w systemach oświetleniowych, silników elektrycznych (w układach napędowych), przekształtników statycznych (w przetwornicach częstotliwości), sprzętu elektronicznego (w systemach informatycznych) i innych urządzeń elektrycznych (z uwzględnieniem, które z nich odpowiadają za generowanie wyższych harmonicznych w pobieranym prądzie).

Zasilanie źródeł światła stosowanych w systemach oświetleniowych napięciem odkształconym, w szczególności w przypadku lamp żarowych, może spowodować „migotanie światła” – w efekcie doprowadzić do nasilającego się odczucia zmęczenia i pogorszenia samopoczucia. Same lampy żarowe nie powodują odkształceń, natomiast lampy wyładowcze (jak również świetlówki) zasilane za pośrednictwem elektronicznych układów zapłonowych (poprawiających ich efektywność energetyczną i wydłużających czas przydatności do eksploatacji) generują duże ilości wyższych harmoniczne w pobieranym prądzie. Co prawda istnieją inne układy zapłonowe, charakteryzujące się mniejszą emisyjnością lecz często ich wyższy koszt zakupu sprawia, że nie są spotykane w praktyce.

Zasilanie silników elektrycznych stosowanych w układach napędowych napięciem odkształconym może spowodować zwiększenie strat mocy (ze względu na indukowanie się prądów wirowych). Ponadto, nadmierne drgania i hałas (na skutek wytwarzania przez każdą harmoniczną oddzielnego momentu obrotowego o kierunku zgodnym lub przeciwnym do momentu obrotowego pochodzącego od przebiegu o częstotliwości podstawowej). Zwiększone straty mocy stwarzają ryzyko przegrzania, co może doprowadzić do skrócenia żywotności izolacji uzwojeń, a także izolacji pomiędzy blachami obwodów magnetycznych. Natomiast, same silniki elektryczne nie powodują odkształceń harmonicznych.

Zasilanie przekształtników statycznych stosowanych w przetwornicach częstotliwości napięciem odkształconym, w zależności od ich konstrukcji, również może przyczynić się do ich nieprawidłowej pracy. Poważnym źródłem wyższych harmonicznych są prostowniki diodowe lub tyrystorowe (najczęściej 6-pulsowe lub 12-pulsowe). Prostowniki 6-pulsowe generują harmoniczne rzędu n x 6 ± 1, a więc 5-tą, 7-mą, 11-tą, 13-tą, 17-tą, 19-tą, itd. Natomiast prostowniki 12-pulsowe generują harmoniczne rzędu 2 x n x 6 ± 1, więc 11-tą, 13-tą, 23-cią, 25-tą, 35-tą, 37-mą, itd.

Zasilanie sprzętu elektronicznego stosowanego w systemach informatycznych napięciem odkształconym może w skrajnych przypadkach doprowadzić do jego uszkodzenia. Wynika to z faktu, że różnego rodzaju urządzenia IT (ang. Information Technology) wyposażone są bardzo często w zasilacze impulsowe, które w swojej konstrukcji posiadają kondensatory (pełniące rolę filtra i/lub zasobnika energii), a wyższe harmoniczne powodują ich przegrzewanie. Sam sprzęt elektroniczny również wprowadza poważne zakłócenia do sieci zasilającej lub instalacji odbiorczej.

Zasilanie innych urządzeń elektrycznych napięciem odkształconym może bezpośrednio przyczynić się do ich nieprawidłowej pracy. Harmoniczne prądu pobieranego przez odbiorniki energii elektrycznej o charakterze silnie nieliniowym, przepływając przez poszczególne elementy układu zasilania, takie jak przewody, kable, czy transformatory, powodują ich przegrzewanie i występowanie dodatkowych spadków napięć. Wpływa to niekorzystnie na zasilanie innych urządzeń i systemów.

Przyczyna powstawania zakłóceń w pracy urządzeń i systemów (którą mogą być np. deformacje przebiegów sinusoidalnych), powinna być niezwłocznie zdiagnozowana. Zastosowanie odpowiednich środków zaradczych eliminujących lub minimalizujących wspomniane zakłócenia wymaga dogłębnej analizy. Zapraszamy do kontaktu.