有源滤波装置在生物制药行业中的应用

有源滤波器是一种由RC元件与运算放大器组成的滤波器，也称为RC有源滤波器。它具有让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号的功能。这种滤波器主要用于低频范围，但因受运算放大器频带限制，其主要用于信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。有源滤波器根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器。

此外，有源滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。在工程上，常用它来进行信号处理，数据传送或抑制干扰等。

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

生物制药电能质量的主要特征包括：

1. 供电稳定、质量可靠：生物制药企业需要保障生产的不间断供电和连续性，特别是照明、净化空调系统的可靠供电。此外，生物制药企业生产设备对电源的进线质量要求比较高，以避免突然停电造成设备损坏及产品报废。

2. 消除谐波影响：生物制药企业断电危害大，因此需要消除谐波影响，提升企业端电网的电源质量。

3. 关注用能安全：生物制药企业关注整个厂区的供配电的安全，需保障整个变配电过程的安全。此外，还关注用能环境安全，如温度、湿度、压差、噪声等参数。

4. 运维效率提升：生物制药企业厂区内变电站、配电房比较多，各类工艺设备种类多，设备分布相对较分散，相对孤立。因此，需要提高运维效率，以保障设备的正常运行。

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。

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。

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。