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    有源滤波装置在生物制药行业中的应用

    发布时间: 2023-12-20  点击次数: 123次

    摘要:随着电子设备大量的使用,非线性负荷越来越多,企业电力网的谐波污染问题也越来越严重,由于谐波的不良作用恶化电能质量,增加附加损耗,降低电网可靠性,影响企业供用电设备的正常工作,甚至损害设备造成电气故障。结合用电安全要求及现状,浅谈有源滤波装置在生物制药安全供电系统中的作用及效果。

    关键词:谐波;电能质量;有源滤波

    1、概述

    目前各种电力电子装置在制药企业中大量应用,其中整流装置所占的比例大,逆变器、直流斩波器等所需的直流电源主要来自整流电路,常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源,电气设备的单台容量虽然很小,但数量却很庞大,其内部大都含有开关电源,各类开关电源、变频器的用量越来越多,加上荧光灯产生的谐波,使电源的谐波污染问题日益突出。电网谐波使得电压、电流的波形发生了畸变,使公司电力系统、用电设备出现许多异常现象和故障,对其进行有效的防止,已成为企业电力系统安全运行工作的重要内容之一。有源滤波器通过CT采集系统中的谐波电流,经CPU快速计算并提取各次谐波的含量,发出指令使功率器件产生与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流,注入到电网中从而抵消系统中的谐波电流。

    2、生物制药电能质量主要特征

    2.1生物制药产业集群式发展。未来产业集群化是发展必然趋势,生物制药是一个组合化过程,需要各个环节的联系,因此电能质量治理格外重要,一旦设备发生故障或电力系统故障,则导致经济效益的直线下降。

    2.2主要负荷是变频器驱动的泵机和电机。主要谐波源是变频器,且谐波含量较大,需单独配置APF进行谐波治理。

    3、生物制药供配电系统谐波源及其特点

    随着制药行业的迅猛发展,许多制药行业所需要的新型先进设备也应运而生,制药企业存在大量的泵机及电机类负载,并且很多都配有变频器,变频器的大量应用使得配电系统中的谐波含量大大增加。

    目前,绝大部分变频器的整流环节都是应用6脉冲整流将交流电转化为直流电,因此所产生的谐波以5次、7次、11次为主。同时,制药企业通常拥有实验室和自动化生产线,存在着大量的精密设备,在许多情况下这些设备既是谐波的产生者,也是谐波的受害者。谐波会影响到实验室中设备的正常工作,使得正在进行的实验功亏一篑;谐波也会影响到自动化生产线的智能控制器、PLC系统,使自动控制设备出现故障。在许多实验室、制药企业的自动生产线都出现过谢波的影响而造成设备的故障。因此制药企业的谐波问题影响较为深远,危害性严重,急需治理。

    2.1科研场所及实验室

    实验室作为重要的生物制药科研场所,大量的敏感设备需要干净的电网环境以保障系统的正常运行。一般皆会涉及高新仪器、精密仪器测量设备、开关电源、整流逆变器、UPS/EPS等,同时也是作为较大的谐波源。实验室等存在大量开关电源负载的场所由于其负载的特点,会产生明显的3次、5次和7次谐波,需要特别注意3次谐波电流对中性线的影响。

    2.2自动化生产线

    发酵是生产原料药的一个重要环节,所以都离不开发酵罐这一核心,随着产品产量的不断扩大、新工艺的不断更新和新品种的不断增加,对发酵罐的控制方式、搅拌频率和时段调整等提出了不同的要求。针对重型大负载比较多、耗电量比较大、发酵周期比较长的情况,近几年发酵生产企业也采取了多种方法,进行了不少设备改造,变频调速是好的既能满足生产工艺要求,又能节能降耗的方式。但随着自动化程度的不断提高,自动化设备对电源污染的程度也越来越恶劣,相应的对自动控制系统的干扰也越来越强,对电源滤波、净化,取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。目前,绝大部分变频器的整流环节都是应用6脉冲整流将交流电转化为直流电,因此所产生的谐波以5次、7次、11次为主。

    3、现场案例

    以山东省某生物制药电能质量治理项目为例,根据厂区负责人员反馈,该厂区综合办公楼频繁出现跳闸现象,另外生物制药生产车间配电房电容柜内电抗器出现烧焦和N线线缆过热的情况查找主要原因,预估是由于综合办公楼和生产车间分别涉及变频空调、计算机通信设备、LED灯照明和泵机等负载,运行过程中会产生谐波并对整个供配电系统造成影响,现对综合办公楼和生产车间所在的配电房进行测量,并根据相应的电能质量数据给出相应的治理方案。

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    3.1综合办公楼配电室谐波测量数据

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    综合办公楼配电室谐波测量数据


    电流

    电流畸变率

    谐波含量

    3次谐波

    5次谐波

    7次谐波

    A

    346A

    22.3%

    77.16A

    29.4A

    58.9A

    35.9A

    B

    323A

    20.8%

    67.18A

    16.4A

    55.7A

    29.4A

    C

    320A

    22.6%

    72.32A

    21.7A

    57.1A

    35.2A


    3.2生产车间配电室谐波测量数据

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    生产车间配电室谐波测量数据


    电流

    电流畸变率

    谐波含量

    3次谐波

    5次谐波

    7次谐波

    A

    152.71

    88.03%

    134

    78.1

    52.85

    32.54

    B

    130.14

    81.9%

    106

    63.56

    42.39

    27.81

    C

    155.84

    83.54%

    130

    78.56

    51.99

    30.52

    N

    220.74



    223.1



    从上述两组测量数据可以得出综合办公楼的谐波主要为5次和7次为主,电流畸变率至多为22%,对于5次和7次谐波可通过在配电房集中治理,消除谐波对整个供配电系统、变压器、电容柜和其它用电设备的影响,从而保证正常的生物制药生产工作;生产车间配电室谐波较严重,3次和5次谐波已超过了国家GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》0.38KV系统各次谐波及谐波电流值标准。现场电容柜串接7%电抗,3次和5次谐波流入电容柜,谐波电流叠加在电容器的基波电流上,使电容器的运行电流变大,温升增高,引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。由于3次谐波属于零序谐波电流,三相矢量角一致,会在N线上进行线性叠加,N线电流约223A,已经超过了相线上的电流值,N线电流过大会造成中性线超温、绝缘老化,发生接地故障,从而导致中断供电甚至发生电气火灾。

    可采用有源滤波装置对其进行末端就地治理,采用DSP+FPGA全数字控制方式,并联在系统中,可对2~51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿;能够消除系统中的各次谐波,防止谐波对N线造成损害,保护线路,同时防止火灾的发生。

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    6、结语

    随着现代化生产工艺、电力电子研发设备等先进科研手段的不断引入和加深,大量的非线性电力电子设备涌现,在提升生物制药质量的同时,也给整个工厂的供配电系统的电能质量带来了严峻的考验,特别是科研实验室,负载设备多样,谐波产生和变化有很大的随机性和复杂性。通过对生物制药建筑供配电系统的电能质量进行研究,并结合系统平台提出合理的整体解决方案,改善生物制药的供电质量,提高电网的安全和经济运行以及降低能耗。


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