有源濾波裝置在生物制藥行業(yè)中的應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘要：隨著電子設(shè)備大量的使用，非線性負(fù)荷越來越多，企業(yè)電力網(wǎng)的諧波污染問題也越來越嚴(yán)重，由于諧波的不良作用惡化電能質(zhì)量，增加附加損耗，降低電網(wǎng)可靠性，影響企業(yè)供用電設(shè)備的正常工作，甚至損害設(shè)備造成電氣故障。結(jié)合用電安全要求及現(xiàn)狀，淺談有源濾波裝置在生物制藥安全供電系統(tǒng)中的作用及效果。

關(guān)鍵詞：諧波；電能質(zhì)量；有源濾波

1、概述

目前各種電力電子裝置在制藥企業(yè)中大量應(yīng)用，其中整流裝置所占的比例大，逆變器、直流斬波器等所需的直流電源主要來自整流電路，常用的晶閘管相控整流電路或二極管整流電路都是嚴(yán)重的諧波源，電氣設(shè)備的單臺容量雖然很小，但數(shù)量卻很龐大，其內(nèi)部大都含有開關(guān)電源，各類開關(guān)電源、變頻器的用量越來越多，加上熒光燈產(chǎn)生的諧波，使電源的諧波污染問題日益突出。電網(wǎng)諧波使得電壓、電流的波形發(fā)生了畸變，使公司電力系統(tǒng)、用電設(shè)備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障，對其進行有效的防止，已成為企業(yè)電力系統(tǒng)安全運行工作的重要內(nèi)容之一。有源濾波器通過CT采集系統(tǒng)中的諧波電流，經(jīng)CPU快速計算并提取各次諧波的含量，發(fā)出指令使功率器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等、方向相反的補償電流，注入到電網(wǎng)中從而抵消系統(tǒng)中的諧波電流。

2、生物制藥電能質(zhì)量主要特征

2.1生物制藥產(chǎn)業(yè)集群式發(fā)展。未來產(chǎn)業(yè)集群化是發(fā)展必然趨勢，生物制藥是一個組合化過程，需要各個環(huán)節(jié)的聯(lián)系，因此電能質(zhì)量治理格外重要，一旦設(shè)備發(fā)生故障或電力系統(tǒng)故障，則導(dǎo)致經(jīng)濟效益的直線下降。

2.2主要負(fù)荷是變頻器驅(qū)動的泵機和電機。主要諧波源是變頻器，且諧波含量較大，需單獨配置APF進行諧波治理。

3、生物制藥供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

隨著制藥行業(yè)的迅猛發(fā)展，許多制藥行業(yè)所需要的新型設(shè)備也應(yīng)運而生，制藥企業(yè)存在大量的泵機及電機類負(fù)載，并且很多都配有變頻器，變頻器的大量應(yīng)用使得配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。

目前，絕大部分變頻器的整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖整流將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，因此所產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。同時，制藥企業(yè)通常擁有實驗室和自動化生產(chǎn)線，存在著大量的精密設(shè)備，在許多情況下這些設(shè)備既是諧波的產(chǎn)生者，也是諧波的受害者。諧波會影響到實驗室中設(shè)備的正常工作，使得正在進行的實驗功虧一簣；諧波也會影響到自動化生產(chǎn)線的智能控制器、PLC系統(tǒng)，使自動控制設(shè)備出現(xiàn)故障。在許多實驗室、制藥企業(yè)的自動生產(chǎn)線都出現(xiàn)過謝波的影響而造成設(shè)備的故障。因此制藥企業(yè)的諧波問題影響較為深遠，危害性嚴(yán)重，急需治理。

2.1科研場所及實驗室

實驗室作為重要的生物制藥科研場所，大量的敏感設(shè)備需要干凈的電網(wǎng)環(huán)境以保障系統(tǒng)的正常運行。一般皆會涉及高新儀器、精密儀器測量設(shè)備、開關(guān)電源、整流逆變器、UPS/EPS等，同時也是作為較大的諧波源。實驗室等存在大量開關(guān)電源負(fù)載的場所由于其負(fù)載的特點，會產(chǎn)生明顯的3次、5次和7次諧波，需要特別注意3次諧波電流對中性線的影響。

2.2自動化生產(chǎn)線

發(fā)酵是生產(chǎn)原料藥的一個重要環(huán)節(jié)，所以都離不開發(fā)酵罐這一核心，隨著產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷擴大、新工藝的不斷更新和新品種的不斷增加，對發(fā)酵罐的控制方式、攪拌頻率和時段調(diào)整等提出了不同的要求。針對重型大負(fù)載比較多、耗電量比較大、發(fā)酵周期比較長的情況，近幾年發(fā)酵生產(chǎn)企業(yè)也采取了多種方法，進行了不少設(shè)備改造，變頻調(diào)速是好的既能滿足生產(chǎn)工藝要求，又能節(jié)能降耗的方式。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設(shè)備對電源污染的程度也越來越惡劣，相應(yīng)的對自動控制系統(tǒng)的干擾也越來越強，對電源濾波、凈化，取得相對穩(wěn)定的綠色電源的要求也越來越高。目前，絕大部分變頻器的整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖整流將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，因此所產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。

3、現(xiàn)場案例

以山東省某生物制藥電能質(zhì)量治理項目為例，根據(jù)廠區(qū)負(fù)責(zé)人員反饋，該廠區(qū)綜合辦公樓頻繁出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，另外生物制藥生產(chǎn)車間配電房電容柜內(nèi)電抗器出現(xiàn)燒焦和N線線纜過熱的情況查找主要原因，預(yù)估是由于綜合辦公樓和生產(chǎn)車間分別涉及變頻空調(diào)、計算機通信設(shè)備、LED燈照明和泵機等負(fù)載，運行過程中會產(chǎn)生諧波并對整個供配電系統(tǒng)造成影響，現(xiàn)對綜合辦公樓和生產(chǎn)車間所在的配電房進行測量，并根據(jù)相應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。

3.1綜合辦公樓配電室諧波測量數(shù)據(jù)

3.2生產(chǎn)車間配電室諧波測量數(shù)據(jù)

從上述兩組測量數(shù)據(jù)可以得出綜合辦公樓的諧波主要為5次和7次為主，電流畸變率至多為22%，對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理，消除諧波對整個供配電系統(tǒng)、變壓器、電容柜和其它用電設(shè)備的影響，從而保證正常的生物制藥生產(chǎn)工作；生產(chǎn)車間配電室諧波較嚴(yán)重，3次和5次諧波已超過了國家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場電容柜串接7%電抗，3次和5次諧波流入電容柜，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運行電流變大，溫升增高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。由于3次諧波屬于零序諧波電流，三相矢量角一致，會在N線上進行線性疊加，N線電流約223A，已經(jīng)超過了相線上的電流值，N線電流過大會造成中性線超溫、絕緣老化，發(fā)生接地故障，從而導(dǎo)致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災(zāi)。

可采用有源濾波裝置對其進行末端就地治理，采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；能夠消除系統(tǒng)中的各次諧波，防止諧波對N線造成損害，保護線路，同時防止火災(zāi)的發(fā)生。

6、結(jié)語

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝、電力電子研發(fā)設(shè)備等科研手段的不斷引入和加深，大量的非線性電力電子設(shè)備涌現(xiàn)，在提升生物制藥質(zhì)量的同時，也給整個工廠的供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)峻的考驗，特別是科研實驗室，負(fù)載設(shè)備多樣，諧波產(chǎn)生和變化有很大的隨機性和復(fù)雜性。通過對生物制藥建筑供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行研究，并結(jié)合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案，改善生物制藥的供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行以及降低能耗。