Zusammenfassung: Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer Geräte steigen auch die nichtlinearen Lasten, was zu einer immer stärkeren Oberwellenbelastung in den Stromnetzen von Unternehmen führt. Aufgrund der negativen Auswirkungen von Oberwellen verschlechtert sich die Stromqualität, die zusätzlichen Verluste steigen und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes sinkt. Dies beeinträchtigt den ordnungsgemäßen Betrieb der Stromversorgungs- und Verbrauchsanlagen von Unternehmen und kann sogar zu Geräteschäden und elektrischen Störungen führen. Ausgehend von den Anforderungen und der aktuellen Situation der elektrischen Sicherheit analysiert dieser Artikel die Funktionen und Auswirkungen aktiver Filter in Sicherheitsstromversorgungssystemen für die biopharmazeutische Industrie.
Schlüsselwörter: Oberschwingungen, Netzqualität, Aktivfilter
1. Einleitung
Heutzutage finden in pharmazeutischen Unternehmen vielfältige leistungselektronische Geräte breite Anwendung, wobei Gleichrichter einen großen Anteil ausmachen. Die für Wechselrichter, DC-Chopper etc. benötigte Gleichstromversorgung stammt hauptsächlich aus Gleichrichterschaltungen. Thyristor-Phasengleichrichter und Diodengleichrichter sind bedeutende Quellen für Oberschwingungen. Obwohl die einzelnen elektrischen Geräte eine geringe Leistung aufweisen, ist ihre Anzahl enorm, und die meisten davon enthalten Schaltnetzteile. Verschiedene Arten von Schaltnetzteilen und Frequenzumrichtern werden immer häufiger eingesetzt, und zusammen mit den von Leuchtstofflampen erzeugten Oberschwingungen führt dies zu einer zunehmenden Oberschwingungsbelastung der Stromversorgung. Netzoberschwingungen verzerren die Spannungs- und Stromwellenformen und verursachen so zahlreiche Störungen und Fehler im Stromversorgungssystem und den elektrischen Anlagen des Unternehmens. Die effektive Vermeidung von Oberschwingungen ist daher ein wichtiger Bestandteil des sicheren Betriebs des Stromversorgungssystems. Der aktive Filter erfasst den Oberwellenstrom mittels Stromwandler, berechnet und extrahiert schnell den Inhalt jeder Oberwelle durch die CPU und sendet Anweisungen an das Leistungsgerät, einen Kompensationsstrom gleicher Amplitude und entgegengesetzter Richtung zum Oberwellenstrom zu erzeugen und in das Stromnetz einzuspeisen, um den Oberwellenstrom im System auszugleichen.
2. Wichtigste Merkmale der Stromqualität in der biopharmazeutischen Industrie
2.1 Die biopharmazeutische Industrie weist eine Clusterentwicklung auf. Die Entwicklung von Industrieclustern ist ein unaufhaltsamer Trend für die Zukunft. Da die Biopharmazeutika-Produktion aus einer Vielzahl von Prozessen besteht, die die Vernetzung verschiedener Akteure erfordern, ist die Sicherstellung einer hohen Stromqualität von besonderer Bedeutung. Ausfälle von Anlagen oder Stromnetzen führen zu einem linearen Rückgang der wirtschaftlichen Erträge.
2.2 Die Hauptlasten sind Pumpen und Motoren, die von Frequenzumrichtern angetrieben werden. Die Hauptquelle für Oberschwingungen ist der Frequenzumrichter mit einem hohen Oberschwingungsanteil, der eine separate Konfiguration eines aktiven Filters (APF) zur Oberschwingungsunterdrückung erfordert.
3. Oberwellenquellen in biopharmazeutischen Stromversorgungs- und -verteilungssystemen
Mit der rasanten Entwicklung der pharmazeutischen Industrie entstanden zahlreiche fortschrittliche Anlagen, die für diesen Sektor erforderlich sind. Viele Pumpen und Motoren werden mit Frequenzumrichtern betrieben. Der weitverbreitete Einsatz von Frequenzumrichtern führt zu einem erheblichen Anstieg des Oberwellengehalts im Stromverteilungssystem.
Aktuell nutzen die meisten Frequenzumrichter eine 6-Puls-Gleichrichtung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, wodurch die Oberschwingungen hauptsächlich der 5., 7. und 11. Ordnung angehören. In pharmazeutischen Unternehmen gibt es häufig Labore und automatisierte Produktionslinien mit einer Vielzahl von Präzisionsgeräten, die oft sowohl Oberschwingungen erzeugen als auch von ihnen betroffen sind. Oberschwingungen beeinträchtigen den ordnungsgemäßen Betrieb der Laborgeräte und führen zum Ausfall laufender Experimente. Auch in automatisierten Produktionslinien können sie die intelligenten Steuerungen und SPS-Systeme stören und so zu deren Ausfällen führen. Daher haben die Oberschwingungsprobleme in pharmazeutischen Unternehmen weitreichende und gravierende Folgen, die dringend einer Lösung bedürfen.
3.1 Forschungsstationen und Labore
In Laboren benötigen zahlreiche empfindliche Geräte, wie z. B. Hightech-Instrumente, Präzisionsinstrumente und Messgeräte, Schaltnetzteile, Gleichrichter, Wechselrichter, USV/EPS usw., eine saubere Netzumgebung für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems. Diese Geräte sind auch Quellen größerer Oberschwingungen. Labore und andere Orte mit vielen Schaltnetzteilen erzeugen signifikante Oberschwingungen der 3., 5. und 7. Ordnung. Daher ist der Einfluss des Oberschwingungsstroms der 3. Ordnung auf den Neutralleiter besonders zu beachten.
3.2 Automatische Produktionslinien
Die Fermentation ist ein wichtiger Bestandteil der API-Produktion und erfolgt im Fermenter. Mit der kontinuierlichen Steigerung der Produktionsmenge, der Einführung neuer Prozesse und der Zunahme neuer Sorten ändern sich die Anforderungen an die Steuerung des Fermenters sowie an die Anpassung von Rührfrequenz und -dauer. Bei hoher Auslastung, hohem Energieverbrauch und langen Fermentationszyklen haben Fermentationsunternehmen in den letzten Jahren verschiedene Methoden zur Anlagenmodernisierung eingesetzt. Die Frequenzregelung kann sowohl die Anforderungen des Produktionsprozesses erfüllen als auch den Verbrauch senken. Mit der fortschreitenden Automatisierung nimmt jedoch auch die Strombelastung durch Automatisierungsanlagen zu. Die damit verbundenen Störungen der automatischen Steuerungssysteme werden immer stärker. Die Anforderungen an die Filterung und Reinigung der Stromversorgung, um eine möglichst stabile und umweltfreundliche Stromversorgung zu gewährleisten, steigen daher stetig.
4. Praktischer Fall
Nehmen wir beispielsweise ein Projekt zur Verbesserung der Stromqualität in einem biopharmazeutischen Unternehmen in der Provinz Shandong. Laut Rückmeldung des Werksleiters kommt es im Bürogebäude des Werks häufig zu Stromausfällen. Außerdem scheint der Reaktor im Kondensatorschrank der Produktionshalle durchgebrannt zu sein, und das N-adrige Kabel ist überhitzt. Hauptursache hierfür dürfte die Vielzahl an Verbrauchern im Bürogebäude und in der Produktionshalle sein, darunter Wechselrichter-Klimaanlagen, Computer- und Kommunikationsgeräte, LED-Beleuchtung, Pumpen usw. Diese erzeugen Oberschwingungen und beeinträchtigen das gesamte Stromversorgungs- und -verteilungssystem. Nun müssen die Verteilerräume im Bürogebäude und in der Produktionshalle vermessen werden, um auf Basis der ermittelten Stromqualitätsdaten geeignete Maßnahmen zu ergreifen.
4.1 Harmonische Messdaten im Verteilerraum des Bürogebäudes
| Harmonische Messdaten im Verteilerraum des Bürogebäudes | ||||||
| aktuell | Stromverzerrungsrate | harmonischer Gehalt | 3. Harmonische | 5. Harmonische | 7. Harmonische | |
| 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 | 320 A | 22,6 % | 72.32A | 21,7A | 57.1A | 35.2A |
4.2 Harmonische Messdaten im Verteilerraum der Produktionswerkstatt
| Harmonische Messdaten im Verteilerraum der Produktionswerkstatt | ||||||
| aktuell | Stromverzerrungsrate | harmonischer Gehalt | 3. Harmonische | 5. Harmonische | 7. Harmonische | |
| 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 | ||||
Aus den beiden oben genannten Messdatensätzen lässt sich schließen, dass die Oberschwingungen im Bürogebäude hauptsächlich 5. und 7. Ordnung aufweisen und die Stromverzerrung bis zu 22 % beträgt. Die 5. und 7. Oberschwingung können zentral im Verteilerraum gedämpft werden, um die Auswirkungen auf das gesamte Stromversorgungs- und -verteilungssystem, die Transformatoren, Kondensatorschränke und andere elektrische Anlagen zu eliminieren und so die ordnungsgemäße Produktion von Biopharmazeutika zu gewährleisten. Die Oberschwingungen im Verteilerraum der Produktionshalle sind gravierender. Hier überschreiten die 3. und 5. Oberschwingung den Grenzwert für Oberschwingungsströme gemäß der nationalen Norm GB/T14549-1993 „Oberschwingungen in öffentlichen Versorgungsnetzen“ für 0,38-kV-Systeme. Die Kondensatorschränke vor Ort sind mit einer Reaktanz von 7 % in Reihe geschaltet. Die dritte und fünfte Harmonische fließen in das Kondensatorgehäuse, und der Oberwellenstrom überlagert sich dem Grundstrom des Kondensators, wodurch der Betriebsstrom des Kondensators größer wird und die Temperatur steigt, was zu Überhitzung und einer Verkürzung der Lebensdauer des Kondensators führt oder den Kondensator beschädigt.
Zur Lösung dieser Probleme können aktive Filter eingesetzt werden. Diese arbeiten mit einer volldigitalen DSP+FPGA-Steuerung und sind parallel im System geschaltet. Sie können die Harmonischen 2 bis 51 vollständig oder gezielt kompensieren, Oberschwingungen im System eliminieren, um Schäden an der N-Leitung zu verhindern und die Schaltkreise vor Bränden zu schützen.
5. Schlussfolgerung
Mit der Einführung und Weiterentwicklung moderner Produktionsprozesse, Leistungselektronik und anderer fortschrittlicher wissenschaftlicher Mittel entsteht eine Vielzahl nichtlinearer Leistungselektronikgeräte. Dies verbessert zwar die Qualität von Biopharmazeutika, hat aber gleichzeitig erhebliche Auswirkungen auf die Stromqualität des Versorgungs- und Verteilungssystems der gesamten Anlage, insbesondere in den Forschungslaboren, wo die Lasten vielfältig sind und die Oberschwingungserzeugung und -änderungen einer hohen Zufälligkeit und Komplexität unterliegen. Durch die Untersuchung der Stromqualität des Versorgungs- und Verteilungssystems in biopharmazeutischen Gebäuden und die Entwicklung einer geeigneten Lösung in Verbindung mit der Systemplattform lassen sich die Versorgungsqualität in der Biopharmabranche verbessern, der sichere und wirtschaftliche Netzbetrieb gewährleisten und der Energieverbrauch senken.
Referenzen:
[1] Acrel Enterprise Microgrid Design and Application Manual. Version 2022.05
Veröffentlichungsdatum: 02. Mai 2025