Odkształcenia harmoniczne (THD) w instalacjach LED i przemienników częstotliwości

Czym są harmoniczne?

Czyste zasilanie sinusoidalne pracuje z częstotliwością podstawową – 50 Hz w Europie. Gdy odbiornik nieliniowy pobiera prąd, który nie ma sinusoidalnego przebiegu, prąd ten zawiera składowe częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami podstawowej. Są to harmoniczne. 3. harmoniczna ma 150 Hz, 5. – 250 Hz, 7. – 350 Hz itd. W układach trójfazowych dominują harmoniczne nieparzyste, a harmoniczne potrójne (3., 9., 15.) zachowują się inaczej, ponieważ są zgodne w fazie we wszystkich trzech fazach, zamiast znosić się jak zrównoważone harmoniczne.

Głównymi źródłami harmonicznych prądu w nowoczesnych budynkach są sterowniki LED (zasilacze impulsowe pracujące z wysoką częstotliwością), przemienniki częstotliwości (VFD) z 6-pulsowym prostownikiem diodowym, zasilacze bezprzerwowe (UPS), zasilacze impulsowe dla sprzętu IT i zasilacze urządzeń KNX oraz elektroniczne stateczniki w starszych oprawach fluorescencyjnych. Każde z nich pobiera prąd w impulsach w szczytach przebiegu napięcia, a nie w sposób ciągły.

THD-I vs THD-V

THD-I (całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu) to stosunek wartości skutecznej wszystkich składowych harmonicznych prądu do wartości skutecznej prądu podstawowego, wyrażony w procentach. Jest mierzony na zaciskach obciążenia – na wejściu sterownika LED, przemiennika częstotliwości lub UPS – i opisuje, jak zniekształcony jest prąd pobierany przez to obciążenie. Czyste obciążenie rezystancyjne ma THD-I = 0%. Typowy impulsowy sterownik LED bez korekcji współczynnika mocy ma THD-I na poziomie 80–120%.

THD-V (całkowite zniekształcenie harmoniczne napięcia) to stosunek wartości skutecznej wszystkich składowych harmonicznych napięcia do napięcia podstawowego, mierzony na szynie zasilającej. Harmoniczne prądu płynące przez impedancję źródła systemu zasilania powodują harmoniczne napięcia – spadek napięcia harmonicznego na impedancji objawia się jako zniekształcenie napięcia szyny. THD-V wpływa na wszystkie urządzenia podłączone do szyny, nie tylko na obciążenie generujące harmoniczne. To jest różnica: THD-I jest właściwością obciążenia; THD-V jest właściwością sieci i wpływa na każde podłączone urządzenie.

Voltage harmonic at order h:
  Vh = Ih × Zh

Where:
  Vh = harmonic voltage component at order h (V)
  Ih = harmonic current component at order h (A)
  Zh = source impedance at harmonic frequency h (Ω)

Source impedance increases with frequency:
  Z at 250Hz (5th) = 5 × Z at 50Hz (fundamental)
  Z at 350Hz (7th) = 7 × Z at 50Hz

Higher source impedance (weak supply, long cables) →
more THD-V for the same THD-I load

THD-I measured: at load input terminals (per IEC 61000-3-2)
THD-V measured: at supply bus (per EN 50160)

Limity klasy C normy IEC 61000-3-2 dla opraw LED

IEC 61000-3-2 ustanawia limity emisji prądów harmonicznych dla urządzeń o prądzie wejściowym do 16 A na fazę podłączonych do publicznych sieci niskiego napięcia. Klasa C dotyczy sprzętu oświetleniowego, w tym opraw LED i ich sterowników. Dla opraw o mocy znamionowej powyżej 25 W norma określa limity harmonicznych jako procent prądu podstawowego, przy czym limit 3. harmonicznej zależy od współczynnika mocy (cos phi) oprawy.

EN 50160 jakość napięcia w punkcie przyłączenia do sieci niskiego napięcia

Norma EN 50160 określa charakterystyki, które zakłady energetyczne muszą zapewnić w punkcie zasilania niskiego napięcia. Dla harmonicznych napięcia norma określa, że THD-V nie może przekraczać 8% jako tygodniowa średnia z 10-minutowych interwałów pomiarowych. Indywidualne limity harmonicznych napięcia dotyczą harmonicznych do 25. rzędu: na przykład 3. harmoniczna nie może przekraczać 5% wartości podstawowej, 5. nie może przekraczać 6%, a 7. nie może przekraczać 5%.

Zakłady energetyczne mierzą zgodność, rejestrując 10-minutowe średnie RMS przez ciągły 7-dniowy okres pomiarowy za pomocą przyrządów do jakości energii klasy A. Egzekwowanie różni się w zależności od kraju – w UE skargi dotyczące jakości napięcia są rozpatrywane przez krajowy organ regulacyjny. Dla instalatorów norma EN 50160 określa górną granicę tego, co dostarcza sieć zasilająca; jeśli THD-V zbliża się do 8% przed podłączeniem obciążenia, dodanie dalszych urządzeń generujących harmoniczne grozi przekroczeniem limitu i pogorszeniem jakości zasilania dla innych odbiorców na tej linii.

Wpływ na instalacje KNX i komponenty rozdzielnic

Prądy harmoniczne powodują specyficzne problemy w instalacjach budynkowych, które projektanci rozdzielnic KNX muszą uwzględnić. Najbardziej krytycznym efektem w instalacjach trójfazowych z jednofazowymi obciążeniami LED jest przeciążenie przewodu neutralnego. W zrównoważonym systemie trójfazowym prądy podstawowe znoszą się w przewodzie neutralnym. Jednak harmoniczne triplen (3., 9., 15.) są w fazie we wszystkich trzech fazach – dodają się arytmetycznie w przewodzie neutralnym, zamiast się znosić. W w pełni obciążonej instalacji trójfazowej z jednofazowymi sterownikami LED o wysokim THD, prąd neutralny 3. harmonicznej może równać się lub przekraczać prąd fazowy.

3 x 20A phase circuits, THD-I = 90%, 3rd harmonic = 70%:

  3rd harmonic current per phase: 20A × 70% = 14A
  Neutral 3rd harmonic current:   14A × 3 = 42A (adds in neutral)
  Fundamental neutral current:    cancels (balanced 3-phase)

  Total neutral current ≈ 42A (exceeds 20A phase current!)

IEC 60364-5-52 Table 52-D:
  For THD > 15%, size neutral conductor at 1.45× phase rating
  In high-THD LED installations: use same CSA neutral as phase,
  or upsize neutral by one cross-section (e.g. 4mm² phase → 6mm² neutral)

MCB false tripping:
  High-frequency harmonic currents cause MCB thermal element
  to see higher RMS current than 50Hz-only meters show.
  Derate MCB to 0.8× rated current in high-THD circuits.

Zasilacze KNX to urządzenia oparte na SMPS. Wysokie THD-V na wejściu sieciowym powoduje tętnienia na wyjściu magistrali KNX 29 V DC, zmniejszoną wydajność SMPS oraz przyspieszone starzenie się kondensatorów elektrolitycznych wejścia. Żywotność kondensatorów zmniejsza się o połowę przy każdym wzroście temperatury o 10°C — harmoniczne zwiększają straty, a tym samym temperaturę. W środowiskach o wysokim THD należy stosować zasilacze KNX z aktywną korekcją współczynnika mocy (PFC), takie jak MDT STC-0640.02 lub ABB SU/S 6.5.1, które lepiej tłumią zawartość harmonicznych niż pasywne konstrukcje SMPS.

Harmoniczne VFD i ograniczanie za pomocą dławików sieciowych

Standardowy napęd VFD z 6-impulsowym prostownikiem ma wejście z prostownikiem diodowym, które pobiera prąd tylko w pobliżu szczytów przebiegu napięcia zasilania. Powoduje to charakterystyczne widmo harmoniczne zdominowane przez 5. harmoniczną (250 Hz) i 7. harmoniczną (350 Hz), przy czym 5. harmoniczna wynosi zazwyczaj 25–35% składowej podstawowej, a 7. 8–15%. THD-I standardowego napędu 6-impulsowego bez ograniczania wynosi zazwyczaj 35–50%.

Pomiar: kiedy i jak oceniać THD

Pomiar THD wymaga analizatora jakości energii True-RMS zdolnego do rozdzielenia poszczególnych harmonicznych co najmniej do 40. rzędu. Odpowiednie przyrządy to Fluke 435 Series II (klasa A wg IEC 61000-4-30), Chauvin Arnoux C.A. 8336 oraz analizator energii Carlo Gavazzi EM24 (monitoring ciągły). Podłącz analizator do rozdzielnicy podrzędnej zasilającej podejrzane odbiory i zmierz THD-I oraz poszczególne procentowe udziały harmonicznych w reprezentatywnych warunkach obciążenia.

Krytyczne momenty pomiarowe: przed instalacją baterii kondensatorów (kondensatory mogą rezonować z indukcyjnością sieci przy częstotliwościach harmonicznych, wzmacniając napięcie harmoniczne – zawsze mierz THD-V przed dodaniem baterii kondensatorów do instalacji bogatej w przemienniki); po dużych projektach modernizacji oświetlenia na LED (porównanie stanu przed i po); gdy wyłączniki nadprądowe wyzwalają bez widocznego przeciążenia (prąd RMS z harmonicznymi powodujący wyzwalanie termiczne); podczas badania problemów ze stabilnością magistrali KNX (THD-V docierające do wejścia zasilacza KNX).

Pasywne filtry harmonicznych

Pasywny filtr harmonicznych składa się z szeregowego obwodu LC dostrojonego do niskiej impedancji przy określonej częstotliwości harmonicznej, podłączonego równolegle do szyny zasilającej. Prądy harmoniczne o częstotliwości strojenia płyną ścieżką o niskiej impedancji przez kondensator i dławik filtra, zamiast wracać do sieci. Filtr 5. harmonicznej jest dostrojony do 250 Hz: wartości C i L dobiera się tak, aby 1 / (2π × 250 × sqrt(LC)) = 1.

For distributed installations — multiple VFDs spread across a building — filtering at source (one filter per VFD, typically a line reactor or integrated input filter) is preferred over a single large central filter. Central filtering requires the filter to handle the combined harmonic current of all loads and adds complexity; source filtering keeps each drive's harmonics contained. For centralised solutions with large motor control centres, a tuned passive filter bank rated for the total drive kVA may be more economical.

Aktywne filtry harmonicznych

Aktywne filtry harmonicznych (AHF) – zwane również aktywnymi kondycjonerami mocy – mierzą w czasie rzeczywistym prąd harmoniczny pobierany przez obciążenie za pomocą przekładnika prądowego i sterownika DSP, a następnie wtryskują przeciwne prądy harmoniczne za pomocą falownika PWM, aby skompensować mierzone harmoniczne w punkcie wspólnego sprzężenia. W przeciwieństwie do filtrów pasywnych, AHF dostosowuje się do zmieniających się warunków obciążenia i może jednocześnie korygować harmoniczne do 50. rzędu oraz zapewniać kompensację mocy biernej.

Reprezentatywne produkty: ABB PQFI (jednostki 30–200 A, interfejs Modbus TCP), Schaffner ECOsine Active (25–200 A). Oba udostępniają rejestry Modbus TCP dla THD-I i THD-V przed/po kompensacji, poziomy poszczególnych harmonicznych oraz status filtra. Do integracji z KNX podłącz wyjście Modbus TCP AHF do bramy WAGO 750-362 Modbus TCP skonfigurowanej z modułem sprzęgającym KNX. Mapuj THD-V L1/L2/L3 na adresy grupowe KNX z DPT 9.002 (2-bajtowa liczba zmiennoprzecinkowa) i ustaw logikę alarmu progowego w bloku komparatora KNX, aby wyzwolić alarm, gdy THD-V przekroczy 5%.

Integracja KNX: rejestry Modbus Carlo Gavazzi EM24

Analizator energii Carlo Gavazzi EM24 obsługuje Modbus RTU (RS-485) oraz Modbus TCP (poprzez opcjonalny moduł Ethernet). W celu ciągłego monitorowania THD zintegrowanego z systemem automatyki budynkowej KNX zalecana jest następująca architektura: EM24 Modbus RTU → moduł WAGO 750-485 RS-485 w sterowniku magistrali polowej WAGO 750-352 Modbus RTU master → mapowanie adresów grupowych KNX w ETS6.

Register  Address  Description                   Format      Scale
0x0028    40041    THD-V L1 (%)                 uint16      ÷10 (e.g. 35 = 3.5%)
0x0029    40042    THD-V L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002A    40043    THD-V L3 (%)                 uint16      ÷10
0x002B    40044    THD-I L1 (%)                 uint16      ÷10
0x002C    40045    THD-I L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002D    40046    THD-I L3 (%)                 uint16      ÷10

Suggested KNX group address mapping:
5/7/1  THD-V L1 (DPT 9.002, %)
5/7/2  THD-V L2 (DPT 9.002, %)
5/7/3  THD-V L3 (DPT 9.002, %)
5/7/4  THD-I L1 (DPT 9.002, %)
5/7/5  THD-I L2 (DPT 9.002, %)
5/7/6  THD-I L3 (DPT 9.002, %)

Alert logic (ETS6 comparator block):
IF THD-V L1 (5/7/1) > 5.0% → send TRUE to 5/7/90 (THD alarm)
→ KNX alarm indicator activation + HA push notification