Aktywna Filtracja Wyższych Harmonicznych: Zasada Działania i Korzyści

Szczegóły: Opublikowano: 25. November 2025

Energetyczne filtry aktywne to urządzenia mające za zadanie redukcję wyższych harmonicznych w punkcie przyłączenia. Filtry harmonicznych to odpowiedź na nieustannie rosnącą ilość obciążeń nieliniowych i zwiększająca się liczbę zakłóceń harmonicznych w sieci niskiego napięcia. Odbiorcy energii stają przed wyzwaniem ograniczenia harmonicznych prądowych wprowadzanych do sieci. Filtry wyższych harmonicznych stosowane są do poprawy parametrów jakości energii elektrycznej.

Czym są Harmoniczne i Skąd się Biorą?

Wysokie tempo rozwoju techniki w ostatnich stuleciach miało znaczący wpływ na poprawę standardu życia ludzi. Jedną z konsekwencji tego zjawiska jest ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną. Istnieje wiele urządzeń elektrycznych wyposażonych w obwody energoelektroniczne, których wykorzystanie pozwala na zaoszczędzenie dużej ilości energii. Najczęściej są to urządzenia o nieliniowych charakterystykach wejściowych. Pobierają one zniekształcony prąd, przez co wprowadzają do sieci elektrycznej zakłócenia w postaci składowych wyższych harmonicznych.

Termin harmoniczna pochodzi od określania tym pojęciem wibracji struny lub kolumny powietrza w akustyce. W elektrotechnice pojęcie to dotyczy składowej przebiegu (np. sinusoidalnego) o częstotliwości, która jest całkowitą krotnością danej częstotliwości podstawowej. W rzeczywistości nie występuje sygnał o kształcie idealnej sinusoidy, tzn. taki, który byłby złożony tylko ze składowej podstawowej. Na rys. Rys. 2 przedstawia przykładowy odkształcony przebieg wraz z jego harmonicznymi. Napięcie występujące w sieci elektrycznej nie jest idealnie sinusoidalne.

W celu określenia zawartości harmonicznych prądu w sygnale odkształconym, stosuje się współczynnik THDi (total harmonie current distortion). Jest on zdefiniowany jako stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych sygnału do wartości skutecznej wartości podstawowej. Zazwyczaj podawany jest on w procentach.

Źródła Harmonicznych

Składowe wyższych harmonicznych prądu w sieciach elektrycznych są efektem ubocznym działania nieliniowych odbiorników takich jak żarówki energooszczędne, regulatory oświetlenia czy przetwornice częstotliwości. Odkształcony prąd, którego są źródłem powoduje zniekształcenia fali napięcia zasilającego.

Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej

Negatywny Wpływ Harmonicznych

Występowanie składowych wyższych harmonicznych w sieci elektrycznej ma negatywny wpływ na prawidłową pracę urządzeń, które są z niej zasilane. Obecność zniekształceń powoduje wzrost strat mocy oraz wzrost zużycia energii pobieranej przez urządzenia, a co za tym idzie szybsze zużywanie się komponentów, z których zbudowany jest system. Zwiększenie temperatury o 10°C w odniesieniu do temperatury znamionowej może spowodować skrócenie żywotności izolacji nawet do 50%. Według badań ekspertów obecność składowych wyższych harmonicznych powoduje wzrost temperatury od 2 do 5°C w zależności od ich rzędu oraz amplitudy. W ekstremalnych przypadkach zakłócenia występujące w sieci zasilającej powodują niestabilną pracę urządzeń sterujących, ich samoczynne wyłączanie, pulsację wałów silników oraz trwałe uszkodzenia komponentów.

Zasada Działania Aktywnej Filtracji Harmonicznych

Zgodnie z prawem Kirchhoffa składowe harmoniczne rozpływają się po całej instalacji. Filtry aktywne służą do redukcji składowych wyższych harmonicznych w sieci elektrycznej. Działają one na zasadzie generacji tych harmonicznych, które są pobierane przez odbiorniki nieliniowe. Przykładowo, jeśli odbiornik pobiera piątą oraz siódmą harmoniczną, to zostają one wytworzone przez filtr aktywny.

Rodzaje Filtrów Aktywnych

Filtry równoległe służą do eliminacji zakłóceń prądowych. Są one podłączane równolegle do linii zasilającej. Nieustannie generują te harmoniczne, które są pobierane przez nieliniowe odbiorniki zasilane z sieci, dzięki czemu kształt fali prądu płynącego ze źródła zasilania pozostaje sinusoidalny. Budowa równoległych filtrów aktywnych opiera się na dwóch głównych elementach - procesorze oraz generatorze. Za pomocą procesora analizowany jest prąd obciążenia. Na podstawie tej informacji generator wytwarza takie harmoniczne prądowe, jakie są pobierane od strony zasilania.

W przypadku filtrów szeregowych korygowane są nie tylko harmoniczne prądowe pobierane przez nieliniowe odbiorniki, ale także już obecne w sieci odkształcenia napięcia. Filtry te podłączane są do sieci szeregowo. Podstawowym elementem szeregowego filtru aktywnego jest wyspecjalizowany układ energoelektroniczny. Filtr wytwarza napięcie o fazie przeciwnej do składowej harmonicznej, co powoduje jej kompensację.

Główne zalety stosowania filtrów aktywnych to znaczne zmniejszenie współczynnika THDi sieci zasilającej, poprawa współczynnika mocy i zmniejszenie strat na komponentach systemu. Urządzenia te cechują się dużą elastycznością. Możliwe jest ich takie zaprogramowanie, które pozwala na reakcję tylko na określone harmoniczne.

Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów

Nowoczesne Filtry Aktywne: Przykład AAF firmy Danfoss

Filtr aktywny AAF firmy Danfoss służy do eliminacji składowych harmonicznych, pochodzących z odbiorników nieliniowych, dzięki czemu poprawia współczynnik mocy całego systemu zasilania. Może on być stosowany do kompensacji zarówno pojedynczych napędów jak i całych grup odbiorników nieliniowych. Filtry tego typu mogą zostać bardzo łatwo zainstalowane w już istniejących instalacjach, które wymagają kompensacji wyższych harmonicznych. Ze względu na budowę modułową, urządzenia te są niezawodne i wydajne energetycznie, a w przypadku usterki naprawa ogranicza się do modułu bądź zespołu modułów zamiast całego urządzenia.

Większość filtrów aktywnych służących do tłumienia harmonicznych jest projektowana do prac w trybie kompensacji selektywnej lub kompensacji szerokopasmowej. Filtr aktywny AAF firmy Danfoss modulacja szerokości impulsów została pominięta, przez co impulsy służące do sterowania przełącznikami IGBT są dostarczane bezpośrednio z regulatora prądu. Takie rozwiązanie pozwala na osiągnięcie czasu reakcji poniżej 30 µs. W przeciwieństwie do wielu filtrów aktywnych, które mają stałą częstotliwość kluczowania, filtr aktywny AAF wykorzystuje progresywny model kluczowania. Takie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie zmiennej częstotliwości kluczowania w zależności od charakterystyki tłumionych harmonicznych. Progresywny model kluczowania znacznie ogranicza obciążenia modułów IGBT, co powoduje mniejsze straty w układach elektroniki oraz wydłużenie żywotności urządzenia.

Tryby Pracy Filtrów AAF

Kompensacja Selektywna: Wykorzystuje operację szybkiej transformaty Fouriera (FFT) do obliczenia amplitudy oraz kąta fazowego odpowiednich składowych harmonicznych. Zaletą tej metody jest wysoka precyzja obliczeń.
Kompensacja Szerokopasmowa: Usuwana zostaje częstotliwość podstawowa występująca w widmie sygnału prądowego, a dodawany jest sygnał, który ma przeciwną fazę do pozostałych częstotliwości. Takie rozwiązanie pozwala na kompensację składowych harmonicznych, interharmonicznych oraz harmonicznych o wielokrotności trzech, co znacznie poprawia skuteczność działania kiedy sieci mają charakter niesymetryczny i/albo zniekształcony.

Testowanie Filtru AAF 250A w Krajowej Spółce Cukrowej S.A.

Skuteczność działania Filtru aktywnego typu AAF 250A produkowanego przez firmę Danfoss została przetestowana w rozdzielni surowni w Krajowej Spółce Cukrowej S.A. Oddział „Cukrownia Kruszwica” w województwie Kujawsko-Pomorskim. Zastosowanie filtru miało na celu sprawdzenie efektywności ograniczania dodatkowych strat obciążeniowych w transformatorze Tr1 powodowanych przez występowanie składowych wyższych harmonicznych prądu obciążenia. Po załączeniu filtru aktywnego widmo prądu nadal zawierało w/w wyższe harmoniczne jednak ich wartości skuteczne były dużo mniejsze. Współczynnik THDi zmalał do poziomu ok. 6,5%. Wraz z obniżeniem poziomu wyższych harmonicznych prądu obniżył się także poziom napięcia każdej z harmonicznych, a tym samym współczynnik THDu zawartości wyższych harmonicznych napięcia. Zmalał on do wartości ok.

Pasywne Filtry Harmonicznych

Filtry wyższych harmonicznych pasywne przeznaczone są przede wszystkim do współpracy z układami przemienników częstotliwości, a filtry aktywne pozwalają dopasować się do prawie każdego obciążenia. Kompensatory mocy biernej często posiadają funkcję filtrowania harmonicznych prądu, zwłaszcza rzędów 3, 5, 7, 9, 11 i 13. Filtry pasywne tłumią harmoniczne powyżej 50 Hz, szczególnie 3. rzędu, które są najbardziej uciążliwe.

Filtry pasywne stanowią duży i kosztowny element systemów. Z powodu strat mocy, pewna część energii tracona jest w postaci ciepła. Filtr bierny projektowany jest dla określonych harmonicznych. Filtr bierny projektowany jest dla określonych harmonicznych. Poprawia także jakość filtrowania.

Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru

Praktyczne Aspekty i Korzyści z Filtracji Harmonicznych

Zatem co daje filtracja harmonicznych które wytwarzają urządzenia w przykładowo Twoim zakładzie produkcyjnym? Nie wypuszczą ich na publiczną sieć energetyczną przez co nie będą musiały się z nimi mierzyć transformatory oraz inne urządzenia podłączone do sieci. Najważniejsza korzyść jest taka że harmoniczne zostaną odfiltrowane a Ty nie dostaniesz kary za wysyłanie ich w sieć. Skoro dzięki niemu Twoje silniki, transformatory mniej się grzeją, występują na nich mniejsze straty energii, to logiczne że pobór mocy będzie mniejszy. Co do wysokich harmonicznych i efektów naskórkowych, może być to też przesłanką do zwiększenia przekrojów kabli zasilających. Czyli albo grube kable, albo kompensator z filtrem harmonicznych. Filtry harmonicznych, zarówno pasywne (układy LC lub RLC), jak i aktywne, poprawiają jakość energii, zmniejszają zużycie energii przez ograniczenie strat cieplnych i mogą wydłużyć żywotność urządzeń.

W zastosowaniach takich jak stacje benzynowe czy sklepy spożywcze, gdzie występują urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne, filtracja harmonicznych może przynieść korzyści w postaci mniejszej awaryjności i oszczędności energii rzędu kilku procent. W przypadku instalacji z falownikami i silnikami sterowanymi elektronicznie, profesjonalny pomiar i dobór filtrów harmonicznych jest zalecany, często realizowany przez specjalistyczne firmy.

Redukcja wyższych harmonicznych prądu przez filtry aktywne zapewnia stabilność i niezawodność systemów zasilania, a także spełnia rosnące wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej.

Filtry Aktywne Elsta Elektronika APF-100 i APF-300

Filtry aktywne firmy Elsta Elektronika, takie jak model APF-100 oraz APF-300, oferują zaawansowane funkcje związane z kompensacją mocy biernej i eliminacji harmonicznych. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii, takich jak cyfrowe sterowanie, autorskie algorytmy pracy, wysoka moc obliczeniowa, oraz wykorzystanie układów pomiarowych o odpowiedniej dokładności, te filtry skutecznie minimalizują ryzyko odkształceń. Poprawiają tym samym efektywność energetyczną całego systemu.

Filtr aktywny typu APF-100 jest przeznaczony do pracy w sieciach 4-przewodowych niskiego napięcia w celu filtracji wyższych harmonicznych, kompensacji mocy biernej i symetryzacji prądów. Urządzenie może współpracować z odbiornikami lub instalacjami 3-fazowymi i jest podłączane w sieci równolegle do innych urządzeń.

Filtr aktywny typu APF-300 przeznaczony jest do pracy w sieciach 4-przewodowych niskiego napięcia, w celu filtracji wyższych harmonicznych, kompensacji mocy biernej i symetryzacji prądów. Urządzenie może współpracować z odbiornikami lub instalacjami 3-fazowymi i jest podłączane w sieci równolegle do innych urządzeń. Filtr ten dedykowany jest m.in. największym zakładom przemysłowym i przetwórczym. Cechuje go unikalna budowa modułowa, a także możliwość pracy równoległej.

Filtry aktywne APF-100 i APF-300 firmy Elsta Elektronika wyróżniają się na tle konkurencji swoją efektywnością i niezawodnością. Dzięki zaawansowanemu systemowi sterowania oraz możliwościom adaptacyjnym, są w stanie dynamicznie reagować na zmiany w obciążeniu i efektywnie eliminować wszelkie odkształcenia.

Zastosowanie Aktywnej Filtracji Harmonicznych

Filtry aktywne znajdują szerokie zastosowanie w miejscach, gdzie występują odbiorniki nieliniowe. Przykład stanowią zakłady przemysłowe, serwerownie czy centra danych. W takich środowiskach kluczowe jest zapewnienie wysokiej jakości zasilania, aby uniknąć uszkodzeń urządzeń i zakłóceń w pracy systemów.

Przemysł produkcyjny - w fabrykach, gdzie wykorzystywane są maszyny o zmiennym obciążeniu, filtry aktywne mogą znacząco poprawić jakość zasilania.
Budynki komercyjne - w biurach i centrach handlowych filtry aktywne są stosowane do stabilizacji parametrów sieci oraz eliminacji zakłóceń.

Korzyści Ekonomiczne i Ekologiczne

Zastosowanie filtrów aktywnych przekłada się bezpośrednio na poprawę efektywności energetycznej. Dzięki redukcji strat energii i obciążenia sieci, przedsiębiorstwa mogą obniżyć koszty operacyjne oraz zmniejszyć emisję CO₂. Filtry aktywne pomagają również w spełnieniu wymogów prawnych dotyczących efektywności energetycznej, takich jak Ustawa o efektywności energetycznej.

Filtr aktywny APF-100 i filtr aktywny APF-300 nie tylko eliminuje niepożądane harmoniczne, ale także kompensuje moc bierną niezależnie od jej charakteru, co przekłada się na niższe opłaty za energię elektryczną.

Podsumowanie Kluczowych Korzyści

Redukcja strat energii i kosztów operacyjnych
Poprawa efektywności energetycznej
Zmniejszenie emisji CO₂
Spełnienie wymogów prawnych dotyczących efektywności energetycznej
Poprawa jakości zasilania i stabilności systemów elektrycznych

Tabela: Porównanie Parametrów Filtrów Aktywnych APF-100 i APF-300 Elsta Elektronika

Parametr	APF-100	APF-300
Przeznaczenie	Sieci 4-przewodowe niskiego napięcia	Sieci 4-przewodowe niskiego napięcia
Funkcje	Filtracja harmonicznych, kompensacja mocy biernej, symetryzacja prądów	Filtracja harmonicznych, kompensacja mocy biernej, symetryzacja prądów
Aplikacje	Odbiorniki/instalacje 3-fazowe	Odbiorniki/instalacje 3-fazowe, zakłady przemysłowe
Montaż	Równolegle do urządzeń	Równolegle do urządzeń

Podsumowując, zastosowanie filtra aktywnego jest kluczowe w nowoczesnych instalacjach elektrycznych, gdzie występuje duża ilość odbiorników nieliniowych.

tags: #aktywna #filtracja #wyższych #harmonicznych #zasada #działania