有源濾波裝置在生物制藥行業中的應用

有源濾波器是一種由RC元件與運算放大器組成的濾波器，也稱為RC有源濾波器。它具有讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號的功能。這種濾波器主要用于低頻范圍，但因受運算放大器頻帶限制，其主要用于信息處理、數據傳輸、抑制干擾等方面。有源濾波器根據對頻率范圍的選擇不同，可分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)與帶阻(BEF)等四種濾波器。

此外，有源濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。在工程上，常用它來進行信號處理，數據傳送或抑制干擾等。

關鍵詞：諧波；電能質量；有源濾波

1、概述

目前各種電力電子裝置在制藥企業中大量應用，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重的諧波源，電氣設備的單臺容量雖然很小，但數量卻很龐大，其內部大都含有開關電源，各類開關電源、變頻器的用量越來越多，加上熒光燈產生的諧波，使電源的諧波污染問題日益突出。電網諧波使得電壓、電流的波形發生了畸變，使公司電力系統、用電設備出現許多異?，F象和故障，對其進行有效的防止，已成為企業電力系統安全運行工作的重要內容之一。有源濾波器通過CT采集系統中的諧波電流，經CPU快速計算并提取各次諧波的含量，發出指令使功率器件產生與諧波電流幅值相等、方向相反的補償電流，注入到電網中從而抵消系統中的諧波電流。

2、生物制藥電能質量主要特征

生物制藥電能質量的主要特征包括：

1. 供電穩定、質量可靠：生物制藥企業需要保障生產的不間斷供電和連續性，特別是照明、凈化空調系統的可靠供電。此外，生物制藥企業生產設備對電源的進線質量要求比較高，以避免突然停電造成設備損壞及產品報廢。

2. 消除諧波影響：生物制藥企業斷電危害大，因此需要消除諧波影響，提升企業端電網的電源質量。

3. 關注用能安全：生物制藥企業關注整個廠區的供配電的安全，需保障整個變配電過程的安全。此外，還關注用能環境安全，如溫度、濕度、壓差、噪聲等參數。

4. 運維效率提升：生物制藥企業廠區內變電站、配電房比較多，各類工藝設備種類多，設備分布相對較分散，相對孤立。因此，需要提高運維效率，以保障設備的正常運行。

3、生物制藥供配電系統諧波源及其特點

隨著制藥行業的迅猛發展，許多制藥行業所需要的新型先進設備也應運而生，制藥企業存在大量的泵機及電機類負載，并且很多都配有變頻器，變頻器的大量應用使得配電系統中的諧波含量大大增加。

目前，絕大部分變頻器的整流環節都是應用6脈沖整流將交流電轉化為直流電，因此所產生的諧波以5次、7次、11次為主。同時，制藥企業通常擁有實驗室和自動化生產線，存在著大量的精密設備，在許多情況下這些設備既是諧波的產生者，也是諧波的受害者。諧波會影響到實驗室中設備的正常工作，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線的智能控制器、PLC系統，使自動控制設備出現故障。在許多實驗室、制藥企業的自動生產線都出現過謝波的影響而造成設備的故障。因此制藥企業的諧波問題影響較為深遠，危害性嚴重，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，大量的敏感設備需要干凈的電網環境以保障系統的正常運行。一般皆會涉及高新儀器、精密儀器測量設備、開關電源、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電源負載的場所由于其負載的特點，會產生明顯的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自動化生產線

發酵是生產原料藥的一個重要環節，所以都離不開發酵罐這一核心，隨著產品產量的不斷擴大、新工藝的不斷更新和新品種的不斷增加，對發酵罐的控制方式、攪拌頻率和時段調整等提出了不同的要求。針對重型大負載比較多、耗電量比較大、發酵周期比較長的情況，近幾年發酵生產企業也采取了多種方法，進行了不少設備改造，變頻調速是好的既能滿足生產工藝要求，又能節能降耗的方式。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設備對電源污染的程度也越來越惡劣，相應的對自動控制系統的干擾也越來越強，對電源濾波、凈化，取得相對穩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節都是應用6脈沖整流將交流電轉化為直流電，因此所產生的諧波以5次、7次、11次為主。

3、現場案例

以山東省某生物制藥電能質量治理項目為例，根據廠區負責人員反饋，該廠區綜合辦公樓頻繁出現跳閘現象，另外生物制藥生產車間配電房電容柜內電抗器出現燒焦和N線線纜過熱的情況查找主要原因，預估是由于綜合辦公樓和生產車間分別涉及變頻空調、計算機通信設備、LED燈照明和泵機等負載，運行過程中會產生諧波并對整個供配電系統造成影響，現對綜合辦公樓和生產車間所在的配電房進行測量，并根據相應的電能質量數據給出相應的治理方案。

從上述兩組測量數據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、變壓器、電容柜和其它用電設備的影響，從而保證正常的生物制藥生產工作；生產車間配電室諧波較嚴重，3次和5次諧波已超過了國家GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》0.38KV系統各次諧波及諧波電流值標準?，F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，發生接地故障，從而導致中斷供電甚至發生電氣火災。

可采用有源濾波裝置對其進行末端就地治理，采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯在系統中，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，同時防止火災的發生。

6、結語

隨著現代化生產工藝、電力電子研發設備等先進科研手段的不斷引入和加深，大量的非線性電力電子設備涌現，在提升生物制藥質量的同時，也給整個工廠的供配電系統的電能質量帶來了嚴峻的考驗，特別是科研實驗室，負載設備多樣，諧波產生和變化有很大的隨機性和復雜性。通過對生物制藥建筑供配電系統的電能質量進行研究，并結合系統平臺提出合理的整體解決方案，改善生物制藥的供電質量，提高電網的安全和經濟運行以及降低能耗。