W dobie dynamicznej transformacji energetycznej oraz rosnącej popularności rozproszonych źródeł energii, odnawialnych technologii, systemów magazynowania energii i falowników, które mogą negatywnie wpływać na jakość zasilania sieciowego, kwestia stabilności i niezawodności sieci energetycznych staje się kluczowym wyzwaniem zarówno dla odbiorców, jak i producentów energii.

W obliczu tych wyzwań na producentów urządzeń elektrycznych nakładane są coraz wyższe wymagania, które zmuszają ich do stosowania nowoczesnych narzędzi pomiarowych. Narzędzi które pozwolą na dokładną analizę oraz optymalizację pracy urządzeń elektrycznych, a także na testowanie ich w trudnych warunkach zasilania, które stają się coraz powszechniejsze.

W związku z tym coraz częściej na wyposażeniu linii produkcyjnych oraz działów R&D można znaleźć źródła mocy, zwane również programowalnymi zasilaczami AC. Te zaawansowane urządzenia umożliwiają symulację różnorodnych warunków zasilania oraz testowanie urządzeń w trudnych warunkach, takich jak spadki napięcia, przepięcia czy wysoka zawartość harmonicznych. Pozwala to na wczesną identyfikację potencjalnych problemów oraz zapewnienie zgodności z normami dotyczącymi jakości zasilania. Dodatkowo oferują one szeroki zakres mocy wyjściowej, co jest kluczowe dla klientów poszukujących rozwiązań zasilających dostosowanych do specyficznych potrzeb, w tym do jednoczesnego zasilania wielu testowanych odbiorników.

W niniejszym artykule przyjrzymy się, w jaki sposób źródła mocy AC przyczyniają się do poprawy jakości odbiorników energii elektrycznej, których sposób pracy ma wpływ na stabilność sieci energetycznych, a ich odpowiednie zaprojektowanie, wyprodukowanie i utrzymanie parametrów w przeciągu lat pracy staje się coraz większym wyzwaniem w kontekście transformacji energetycznej.

Rys. 1. ASR-6600-12 Źródła mocy AC/DC 12kV

Jednym z kluczowych problemów wpływających na jakość zasilania są wysokie harmoniczne prądu i napięcia, których źródła wynikają głównie ze zmiany charakteru pracy urządzeń podłączonych do sieci elektrycznej, co ma miejsce na niespotykaną dotąd skalę. Wzrost liczby odbiorników nieliniowych, takich jak serwery, zasilacze, UPS-y, ładowarki samochodowe, urządzenia zabezpieczające silniki trójfazowe AC czy przetwornice częstotliwości AC, prowadzi do zwiększonego generowania zniekształceń harmonicznych. Te zniekształcenia wpływają negatywnie na stabilność sieci oraz jakość zasilania, co w dłuższej perspektywie może prowadzić do zakłóceń w pracy zarówno odbiorników, jak i całych systemów energetycznych.

W odpowiedzi na te problemy, UK Energy Networks Association (UK ENA) opublikowało w 2020 roku zalecenia inżynieryjne znane jako ER G5/5, które zastępują wcześniejsze wytyczne ENA ER G5/4 z 2001 roku. Nowe zalecenia dotyczą kontroli zniekształceń harmonicznych napięcia oraz zasad przyłączania źródeł harmonicznych i/lub urządzeń rezonansowych do systemów przesyłu energii i sieci dystrybucyjnych. Dokument nakłada wymóg pomiaru harmonicznych do 100. rzędu dla przyłączanych urządzeń, co ma na celu ograniczenie wpływu wysokich harmonicznych generowanych przez odbiorniki na jakość zasilania oraz stabilność pracy sieci energetycznej. Nowe przepisy mają na celu lepsze zarządzanie obciążeniami harmonicznymi, co przyczyni się do poprawy niezawodności i bezpieczeństwa działania systemów elektroenergetycznych.

Podobne wymagania znajdują się również w międzynarodowej normie IEC 60034-1 oraz jej polskim tłumaczeniu PN-EN 60034-1, które regulują ocenę wydajności silników wirujących. Norma ta nakłada analogiczny wymóg pomiaru harmonicznych do 100. rzędu, co ma na celu ograniczenie emisji zakłóceń do sieci zasilającej. Przestrzeganie tych wytycznych nie tylko poprawia jakość zasilania, ale także zmniejsza ryzyko występowania zakłóceń, które mogą negatywnie wpływać na pracę zarówno urządzeń, jak i całych systemów elektroenergetycznych. 

Zwiększoną wagę wyższych harmonicznych uwzględniają również polskie normy, co znalazło odzwierciedlenie w nowym rozporządzeniu Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. Nowe rozporządzenie zastępujące Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego i rozszerza w nim zakres badanych harmonicznych oraz maksymalną wartość współczynnika THD (całkowitego zniekształcenia harmonicznych) z 40. do 50. harmonicznej. 

Dzięki tym zmianom jesteśmy w stanie zapewnić wyższy poziom stabilności pracy sieci, zwiększając jej odporność na przeciążenia oraz zakłócenia wynikające z dynamicznych zmian w strukturze produkcji i zużycia energii.

Tabela 1: Różnice między starymi a nowymi przepisami brytyjskimi (zakres napięcia w tabeli odnosi się do napięcia PCC – Punktu Wspólnego Przyłączenia, ang. Point of Common Coupling).

Harmoniczne - Przyczyny, problemy i ich szkodliwość

Rys. 2. Zniekształcenie przebiegu napięcia spowodowane prądami harmonicznymi obciążeń nieliniowych

Przyczyny powstawania harmonicznych napięcia, prądu i mocy wyjściowej

Każde urządzenie zasilane z sieci (tzw. obciążenie), generuje harmoniczne, które powstają zarówno podczas normalnej pracy, jak i w trakcie podłączania czy odłączania ich od sieci. Choć w przypadku pojedynczego urządzenia wartość harmonicznych może wydawać się mało istotne, warto pamiętać, że w w budynku, zakładzie czy całej sieci energetycznej znajduje się wiele takich obciążeń i ich jednoczesna praca może znacząco wpływać na system zasilania w naszym systemie zasilania jak również w sąsiednich sieciach.

Jak wcześniej wspomniano, każde urządzenie powoduje powstawanie harmonicznych, jednak ich ilość różni się w zależności od typu urządzenia. Można wyróżnić dwa główne rodzaje urządzeń w sieci: liniowe i nieliniowe. Urządzenia liniowe generują zakłócenia harmoniczne, głównie w postaci harmonicznych o niskich rzędach, które nie są aż tak problematyczne.

W największym stopniu za harmoniczne w sieci odpowiadają urządzenia drugiego typu czyli tzw. obciążenia nieliniowe. Wynika to z faktu że ich charakterystyka napięciowa, a głównie prądowa nie jest liniowa, powoduje to zniekształcenia prądu lub napięcia. Oznacza to, że prąd pobierany przez te urządzenia nie jest proporcjonalny do zadanego napięcia. W rezultacie prąd pobierany przez te urządzenia ma kształt odmienny od znanego nam sinusa, często jest on impulsowy jak pokazano na rys. 2. Tak duże zmiany od zwykłego sinusa sprawiają że zawierają one znaczne składowe harmoniczne.

Przykłady obciążeń nieliniowych to:​

• Urządzenia elektroniczne – komputery, telewizory, zasilacze impulsowe.

• Silniki sterowane falownikami – używane w napędach elektrycznych z regulacją prędkości.

• Przekształtniki mocy – np. prostowniki, falowniki, zasilacze UPS.

• Urządzenia z diodami i tranzystorami – sprzęt elektroniczny, który wykorzystuje elementy półprzewodnikowe.

Warto jednak podkreślić, że choć urządzenia liniowe w pojedynkę generują stosunkowo niewielkie zakłócenia harmoniczne, ich obecność w sieci elektroenergetycznej w połączeniu z odbiornikami nieliniowymi, takimi jak falowniki czy prostowniki, może znacząco pogorszyć jakość energii elektrycznej. Współistnienie tych dwóch typów urządzeń może prowadzić do wzajemnego wzmacniania się efektów odkształceń prądu i napięcia, co w praktyce oznacza większe ryzyko nieprawidłowego funkcjonowania innych elementów sieci.

Rys. 3. Wizualizacja rozkładu harmonicznych przedstawiona na analizatorze widma.

Skutki powstawania harmonicznych

Powstałe na skutek nieliniowego obciążenia harmoniczne prowadzą do powstawania takich problemów jak:

• Zniekształcenia kształtu fali napięcia – Prądy harmoniczne wpływają na napięcie w sieci, powodując odkształcenia sinusoidalnego kształtu fali napięcia, jak zilustrowano na rysunku 1. To odkształcenie może negatywnie wpływać na działanie czułych urządzeń oraz przyspieszać zużycie komponentów elektrycznych czy transformatorów z uwagi na ich nagrzewanie.
• Generowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) – Prądy harmoniczne mogą powodować emisję zakłóceń elektromagnetycznych (przewodzonych EMI), które mogą wpływać na działanie innych urządzeń w otoczeniu, w tym systemów telekomunikacyjnych i automatyki przemysłowej.
• Rezonans w układach kompensacji mocy biernej – Harmoniczne mogą prowadzić do niepożądanych efektów rezonansowych w kondensatorach lub bateriach kondensatorów stosowanych do kompensacji mocy biernej w sieci. Rezonans między kondensatorami a obciążeniami indukcyjnymi może dodatkowo zwiększać poziom harmonicznych, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do awarii tych elementów oraz ich nadmiernego nagrzewania.

Zasilacze AC/DC - Jak zapobiegają powstawaniu harmonicznych

Rys. 4. ASR-6450 3-fazowe źródło zasilania AC/DC

Źródło mocy AC GW Instek ASR-6000

Aby zapobiegać powstawaniu harmonicznych i zapewnić, że urządzenia elektryczne spełniają obowiązujące normy oraz przepisy krajowe, kluczowe jest, by producenci dokładnie sprawdzali swoje produkty już na etapie projektowania oraz przed wysłaniem ich na rynek. Jednym z najskuteczniejszych sposobów na wykrywanie problemów w produkowanych czy projektowanych urządzeniach zasilanych energią elektryczną jest zastosowanie źródeł mocy. 

Źródła mocy to nowoczesne zasilacze AC oraz DC, pozwalające na symulację i badanie wielu zjawisk pojawiających się w sieci energetycznej. Zasilacz, dzięki swoim zaawansowanym funkcjom, pozwala na odtworzenie wielu krytycznych sytuacji, takich jak zapady napięcia, nagłe skoki napięcia (przepięcia), czy krótkotrwałe przerwy w zasilaniu, które mogą trwać zaledwie kilka milisekund, jak przedstawiono na rysunku 5. Producent dzięki symulowaniu takich warunków w środowisku testowym ma możliwość dokładnej oceny, jak urządzenia będą reagowały na rzeczywiste zmiany w sieci podczas już faktycznej pracy. Wszystkie te funkcje pozwalają na wczesne wykrywanie potencjalnych nieprawidłowości na etapie projektowania, zanim urządzenie trafi do masowej produkcji.

Zasilacze AC, dzięki swoim zaawansowanym funkcjom testowym i pomiarowym, pozwalają na odtworzenie wielu krytycznych sytuacji, takich jak zapady napięcia, nagłe skoki napięcia, czy krótkotrwałe przerwy w zasilaniu, które mogą trwać zaledwie kilka milisekund. Wyjście z zasilacza umożliwia precyzyjne symulowanie takich warunków w środowisku testowym, dając możliwość dokładnej oceny, jak urządzenia będą reagować na rzeczywiste zmiany w sieci.

Rys. 5 Różnorodne wbudowane funkcja wyjściowe kształtu przebiegu źródła ASR-6600

Oprócz wcześniej wspomnianych funkcjonalności, nowoczesne źródła mocy, takie jak ASR-6600 i ASR-6450, posiadają trójfazowe wyjścia z możliwością jednoczesnej symulacji sygnału AC + DC. Oferują one także regulację indukcyjności i rezystancji wyjściowej w zakresie od 0,1 Ω do 1 Ω oraz możliwość sterowania sygnałem wyjściowym za pomocą zewnętrznego sygnału. Dodatkowo, umożliwiają wzmocnienie zewnętrznego sygnału wejściowego, synchronizację z siecią oraz superpozycję sygnału zewnętrznego na wewnętrzny sygnał wyjściowy, co pozwala na przeprowadzanie bardziej zaawansowanych testów.

W trybie trójfazowego generowania zasilania każda faza może być regulowana niezależnie, co umożliwia testowanie redundantnych źródeł zasilania serwerów (CRPS), wyposażonych w co najmniej dwa zasilacze typu hot-plug, z możliwością ich wymiany podczas pracy. Niezależne sterowanie fazami pozwala także na symulację niezrównoważonego zasilania w systemach trójfazowych, co umożliwia testowanie asymetrii napięcia między fazami oraz sprawdzenie działania urządzeń w przypadku awarii jednej z faz. Takie możliwości pomagają producentom zminimalizować ryzyko awarii, a także zapewnić dłuższą żywotność i stabilność urządzeń w trudnych warunkach sieciowych.

Tabela 2: Źródło mocy AC GW Instek ASR-6000, lista funkcji pomiarowych

Tabela 3: Opis funkcji pomiarowych i trybów wyjścia

Programowalny zasilacz AC: Strażnicy jakości energii w erze transformacji elektroenergetycznej

Podsumowując, problem niestabilności sieci spowodowany obciążeniami nieliniowymi i harmonicznymi jest złożony, a jego najlepszym rozwiązaniem jest testowanie urządzeń już na etapie produkcji za pomocą programowalnych zasilaczy AC/DC, znanych również jako źródła mocy. W dobie rosnącej liczby rozproszonych źródeł energii, systemów magazynowania oraz falowników, zapewnienie odpowiedniej jakości zasilania staje się coraz większym wyzwaniem, któremu te zasilacze mogą skutecznie sprostać.

W kontekście wyzwań związanych z transformacją energetyczną, zasilacze AC są niezbędnym elementem wyposażenia każdej fabryki czy laboratorium, które zajmuje się badaniem jakości zasilania urządzeń elektrycznych oraz ich wpływu na sieć energetyczną. Wybór odpowiedniego producenta takich zasilaczy jest kluczowy dla zapewnienia wysokiej jakości i niezawodności urządzeń, według zasad optymalnego zarządzania energią.

Dzięki zaawansowanym funkcjom testowym, takim jak symulacja różnych warunków zasilania i pomiar harmonicznych, zasilacze AC umożliwiają dokładną analizę pracy urządzeń zarówno na etapie projektowania, jak i produkcji. To pozwala na wczesne wykrycie potencjalnych problemów, które mogłyby negatywnie wpłynąć na stabilność oraz jakość sieci energetycznej.

Kamil Turowski

Masz pytania lub potrzebujesz doboru rozwiązania kontrolno-pomiarowego?