W miarę jak współczesne systemy elektroenergetyczne w coraz większym stopniu opierają się na obciążeniach nieliniowych, współczynnik THDi (całkowite zniekształcenia harmoniczne prądu) stał się kluczowym czynnikiem zapewniającym jakość zasilania i długowieczność urządzeń. W tym artykule analizujemy, czym jest THDi, jego przyczyny, wpływ na urządzenia oraz jak go ograniczyć za pomocą zaawansowanych technik filtrowania harmonicznych.

1. Co to jest THDi?

THDi to skrót od Total Harmonic Current Distortion (całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu). Służy do pomiaru stopnia zniekształcenia przebiegu prądu w systemie elektroenergetycznym, reprezentując stosunek całkowitego prądu harmonicznego do prądu podstawowego, zazwyczaj wyrażony w procentach.

Zgodnie z normą krajową GB/T 14549-93:

Sieci publiczne: THDi < 5%

Sieci wysokiego napięcia (>10 kV): THDi < 4%

Systemy przemysłowe: THDi < 5%

Systemy mieszkaniowe: THDi < 3%

Systemy high-end (np. magazynowanie energii): THDi może wynosić < 3%

2. Główne źródła zniekształceń harmonicznych THDi powstaje głównie w przypadku obciążeń nieliniowych – urządzeń, w których zależność napięcie-prąd nie jest zgodna z prawem Ohma. Urządzenia te pobierają prądy niesinusoidalne nawet przy napięciu sinusoidalnym, generując harmoniczne o wielokrotnościach częstotliwości podstawowej.

Kluczowe przykłady obejmują:

Urządzenia przełączające półprzewodnikowe (diody, tyrystory, IGBT): powodują impulsowe lub przycięte przebiegi, co prowadzi do powstawania wyższych harmonicznych.

Ładowarki przemysłowe z prostownikiem :Prostowniki 6-pulsowe generują THDi >30%, z 5., 7., 11. i 13. harmoniczną. Prostowniki 12-pulsowe zmniejszają THDi do 8–10%, ale nadal wymagają filtrowania.

3. Wpływ wysokiego THDi na sprzęt

1. Przegrzanie i obniżenie mocy transformatora Prądy harmoniczne zwiększają straty prądów wirowych, miedzi i straty błądzące w transformatorach. Efekt naskórkowości nasila się, powodując wzrost temperatury i konieczność obniżenia parametrów znamionowych (zwykle o 15–20%). Długotrwałe przegrzewanie prowadzi do starzenia się izolacji i skrócenia jej żywotności.

2. Rezonans kondensatora i ryzyko wybuchu Kondensatory mają reaktancję zależną od częstotliwości. Wyższe harmoniczne (np. 11.) mogą powodować rezonans i przepięcia. Dane z rzeczywistych warunków pokazują skoki harmonicznych prądu od 1,3% do 39%, co prowadzi do przepięcia kondensatora i potencjalnej eksplozji.

3. Degradacja izolacji kabla Harmoniczne nasilają efekt naskórkowości i podwójne nagrzewanie się kabla. Nakładające się trzecie harmoniczne w układach niezbalansowanych podwyższają prąd w przewodzie neutralnym nawet trzykrotnie w stosunku do prądu fazowego, zwiększając ryzyko rozładowania, zwarcia i pożaru.

4. Zniekształcenia napięcia i awarie sprzętu Gdy THDi przekracza 15%, wzrastają zniekształcenia napięcia (THDu), co ma wpływ na precyzyjne systemy sterowania i wrażliwą elektronikę.

4. Skuteczne środki łagodzenia harmonicznych

1. Zaktualizuj do Prostowniki 12-pulsowe Wymiana prostowników 6-pulsowych pozwala na obniżenie współczynnika THDi z 30–40% do 8–12%.

2. Korekcja współczynnika mocy (PFC) Aktywne układy PFC w ładowarkach i zasilaczach mogą tłumić 5. i 7. harmoniczną, osiągając THDi <5%.

3. Filtry aktywne (APF) Filtry APF wykrywają harmoniczne w czasie rzeczywistym i wprowadzają prądy kompensacyjne. Dzięki skuteczności tłumienia <5 ms, obejmują one harmoniczne od 2. do 50. W połączeniu z pasywnymi filtrami LC, mogą skutecznie eliminować harmoniczne 11. i 13. – idealne do ochrony po stronie transformatora.

5. Scenariusze zastosowań w świecie rzeczywistym

Nasze rozwiązania w zakresie filtrowania harmonicznych, wdrożone z przemysłowymi ładowarkami EverExceed, znacząco poprawiły jakość zasilania w kluczowej infrastrukturze:

Węzły transportowe (stacje kolei dużych prędkości i metra)

Obiekty komunalne i podstacje

Systemy oświetlenia elektrowni i stacje rozdzielcze

W tych wdrożeniach wskaźnik kwalifikacji napięcia wzrósł z 75% do 99%, a uszkodzenia podzespołów spowodowane niestabilnością napięcia zmniejszyły się o 90%.

Wnioski: Dlaczego zarządzanie THDi ma znaczenie THDi to coś więcej niż parametr techniczny – to krytyczny wskaźnik stanu systemu elektroenergetycznego. Proaktywne ograniczanie harmonicznych chroni Twój sprzęt, poprawia wydajność i zapewnia stabilność operacyjną.

EverExceed oferuje zaawansowane rozwiązania w zakresie filtrowania harmonicznych, dostosowane do zastosowań przemysłowych. Skontaktuj się z nami już dziś, aby dowiedzieć się, jak możemy pomóc Ci zoptymalizować Twoje systemy zasilania pod kątem wydajności, bezpieczeństwa i niezawodności.