Tiivistelmä: Elektronisten laitteiden laajamittaisen käytön myötä epälineaariset kuormat lisääntyvät, mikä johtaa harmonisten yliaaltojen aiheuttaman saastumisen lisääntymiseen yritysten sähköverkoissa. Harmonien haitallisten vaikutusten vuoksi sähkön laatu heikkenee, lisähäviöt kasvavat ja sähköverkon luotettavuus heikkenee, mikä vaikuttaa yritysten sähkönsyöttö- ja kulutuslaitteiden normaaliin toimintaan ja jopa laitteet vaurioituvat aiheuttaen sähkövikoja. Sähköturvallisuuden vaatimusten ja nykytilanteen perusteella tässä artikkelissa analysoidaan aktiivisten suodatinlaitteiden toimintoja ja vaikutuksia biolääketieteellisissä turvallisissa virtalähdejärjestelmissä.
Avainsanat: harmoninen, sähkön laatu, aktiivisuodin
1. Johdanto
Nykyään lääkeyrityksissä käytetään laajalti erilaisia tehoelektroniikkalaitteita, joissa tasasuuntauslaitteiden osuus on suuri. Invertterin ja DC-katkaisijan jne. vaatima tasavirtasyöttö tulee pääasiassa tasasuuntaajapiiristä. Tyristorin vaiheohjattu tasasuuntaajapiiri tai diodin tasasuuntaajapiiri on merkittävä harmonisten yliaaltojen lähde. Vaikka sähkölaitteiden yksittäisten kapasiteetti on pieni, niiden lukumäärä on valtava, ja useimmat niistä sisältävät kytkentävirtalähteitä. Erilaisia kytkentävirtalähteitä ja taajuusmuuttajia käytetään yhä enemmän, samoin kuin loistelamppujen tuottamat harmoniset yliaallot, minkä vuoksi virtalähteen harmoninen saastuminen on yhä merkittävämpää. Verkkoharmoniikat vääristävät jännitteen ja virran aaltomuotoa, minkä seurauksena yrityksen sähköjärjestelmässä ja sähkölaitteissa esiintyy monia poikkeavia ilmiöitä ja vikoja. Harmonien tehokas ehkäisy on tullut tärkeäksi osaksi yrityksen sähköjärjestelmän turvallista toimintaa. Aktiivinen suodatin kerää harmonisen virran virtamuuntimen avulla, laskee ja poimii nopeasti kunkin harmonisen sisällön suorittimen avulla ja lähettää ohjeet, joiden avulla teholaite tuottaa harmonisen virran kanssa saman amplitudisen ja vastakkaisen suuntaisen kompensaatiovirran ja syöttää sen sähköverkkoon harmonisen virran kompensoimiseksi järjestelmässä.
2. Sähkönlaadun keskeiset ominaisuudet biolääketeollisuudessa
2.1 Biolääketeollisuudessa on klusterikehitystä. Teollisuusklusterien kehitys on väistämätön tulevaisuuden trendi. Biolääketeollisuus on prosessien yhdistelmä, joka vaatii yhteyttä erilaisiin linkkeihin, joten sähkönlaadun hallinta on erityisen tärkeää. Laitteen tai sähköjärjestelmän vikaantuminen johtaa taloudellisen hyödyn lineaariseen vähenemiseen.
2.2 Pääkuormat ovat taajuusmuuttajien ohjaamia pumppuja ja moottoreita. Tärkein harmonisten yliaaltojen lähde on taajuusmuuttaja, jossa on paljon harmonisia yliaaltoja, mikä vaatii erillisen APF-konfiguraation harmonisten yliaaltojen hallintaa varten.
3. Harmonilähteet biolääketieteellisissä virtalähteissä ja jakelujärjestelmissä
Lääketeollisuuden nopean kehityksen myötä lääketeollisuus tarvitsi monia edistyneitä laitteita. Pumppuja ja moottoreita on suuri määrä, ja monet niistä on varustettu taajuusmuuttajilla. Taajuusmuuttajien suuri määrä sovelluksia lisää huomattavasti sähkönjakelujärjestelmän harmonisten yliaaltojen määrää.
Tällä hetkellä useimmat taajuusmuuttajat käyttävät 6-pulssista tasasuuntausta vaihtovirran muuntamiseksi tasavirraksi, joten harmoniset yliaallot ovat pääasiassa 5., 7. ja 11. yliaaltoa. Samaan aikaan lääkeyritysten laboratorioissa ja automaattisissa tuotantolinjoissa on yleensä paljon tarkkuuslaitteita, jotka monissa tapauksissa ovat sekä harmonisten yliaaltojen tuottajia että uhreja. Harmoniaallot vaikuttavat laboratoriolaitteiden normaaliin toimintaan ja estävät meneillään olevat kokeet. Harmoniaallot vaikuttavat myös automatisoitujen tuotantolinjojen älykkäisiin ohjaimiin ja PLC-järjestelmiin, mikä aiheuttaa automaattisten ohjauslaitteiden vikaantumisen. Siksi lääkeyritysten harmonisilla ongelmilla kauaskantoisia vaikutuksia ja vakavia haittoja, joita on kiireellisesti hallittava.
3.1 Tutkimusasemat ja -laboratoriot
Laboratorioissa suuri määrä herkkiä laitteita tarvitsee puhtaan verkkoympäristön järjestelmän normaalin toiminnan varmistamiseksi. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi huipputeknologiset instrumentit, tarkkuusinstrumentit ja mittauslaitteet, kytkentävirtalähteet, tasasuuntaajainvertterit, UPS/EPS jne., jotka ovat myös suurempia harmonisten yliaaltojen lähteitä. Laboratoriot ja muut paikat, joissa on suuri määrä kytkentävirtalähteiden kuormia, tuottavat merkittäviä 3., 5. ja 7. harmonisia yliaaltoja, joissa on kiinnitettävä erityistä huomiota 3. harmonisen virran vaikutukseen nollajohtimeen.
3.2 Automaattiset tuotantolinjat
Käyminen on tärkeä osa API:n tuotantoa, jota valmistetaan käymislaitteessa. Tuotetuotannon jatkuvan kasvun, uusien prosessien päivittymisen ja uusien lajikkeiden lisääntymisen myötä käymislaitteen ohjaukselle, sekoitustaajuudelle ja aikajakson säädöille on erilaisia vaatimuksia. Raskaiden kuormien, suuren energiankulutuksen ja pitkien käymissyklien tilanteissa käymistuotantoyritykset ovat viime vuosina ottaneet käyttöön erilaisia menetelmiä laitteiden kunnostamiseksi. Taajuuden säätö voi sekä vastata tuotantoprosessin vaatimuksiin että vähentää kulutusta. Automaation jatkuvan parantamisen myötä automaatiolaitteiden aiheuttama sähkönkulutus kuitenkin pahenee. Vastaava häiriö automaattiselle ohjausjärjestelmälle voimistuu. Myös virtalähteen suodatukselle ja puhdistukselle asetetaan yhä korkeammat vaatimukset suhteellisen vakaan ja vihreän virtalähteen saavuttamiseksi.
4. Käytännön tapaus
Esimerkkinä voidaan mainita biolääketieteellinen sähkönlaadun hallintaprojekti Shandongin maakunnassa. Laitoksen vastuuhenkilön palautteen mukaan laitoksen toimistorakennuksessa esiintyy usein laukaisuilmiöitä, ja tuotantolaitoksen kondensaattorikaapin reaktori näyttää olevan palanut ja N-johtiminen kaapeli on ylikuumentunut. Pääsyynä odotetaan olevan se, että toimistorakennuksessa ja tuotantolaitoksessa on paljon invertteri-ilmastointilaitteita, tietokone- ja tietoliikennelaitteita, LED-valaistusta, pumppuja ja muita laitteita, jotka tuottavat harmonisia yliaaltoja ja vaikuttavat koko virransyöttö- ja jakelujärjestelmään. Nyt on tarpeen mitata toimistorakennuksen ja tuotantolaitoksen jakeluhuoneet ja tarjota sopiva ratkaisu vastaavien sähkönlaatutietojen perusteella.
4.1 Harmonisten yliaaltojen mittaustiedot toimistorakennuksen jakelutilassa
| Harmonisten yliaaltojen mittaustiedot kattavan toimistorakennuksen jakeluhuoneessa | ||||||
| nykyinen | virran vääristymäaste | harmoninen sisältö | 3. harmoninen | 5. harmoninen | 7. harmoninen | |
| A | 346A | 22,3 % | 77.16A | 29,4A | 58,9A | 35,9A |
| B | 323A | 20,8 % | 67.18A | 16,4 A | 55,7A | 29,4A |
| C | 320A | 22,6 % | 72.32A | 21,7A | 57.1A | 35.2A |
4.2 Harmonisten yliaaltojen mittaustiedot tuotantolaitoksen jakelutilassa
| Harmonisten yliaaltojen mittaustiedot tuotantolaitoksen jakelutilassa | ||||||
| nykyinen | virran vääristymäaste | harmoninen sisältö | 3. harmoninen | 5. harmoninen | 7. harmoninen | |
| 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 | ||||
Yllä olevista kahdesta mittausdatasarjasta voidaan päätellä, että koko toimistorakennuksen harmoniset yliaallot ovat pääasiassa 5. ja 7. yliaaltoja ja niiden virran vääristymäaste on jopa 22 %. Viidettä ja seitsemättä yliaaltoa voidaan hallita keskitetysti jakeluhuoneessa, jotta niiden vaikutus koko virtalähde- ja jakelujärjestelmään, muuntajiin, kondensaattorikaappeihin ja muihin sähkölaitteisiin voidaan poistaa ja varmistaa biolääkkeiden normaali tuotanto. Tuotantotyöpajan jakeluhuoneen harmoniset yliaallot ovat vakavampia, sillä 3. ja 5. yliaallot ylittävät kansallisen GB/T14549-1993 "harmoniikat julkisessa sähköverkossa" -standardin mukaisen 0,38 kV:n järjestelmän harmonisen virran arvon. Paikan päällä olevat kondensaattorikaapit on kytketty sarjaan 7 %:n reaktanssilla. 3. ja 5. yliaallot virtaavat kondensaattorikaappiin, ja harmoninen virta kerrostuu kondensaattorin perusvirran päälle, jolloin kondensaattorin käyttövirta kasvaa ja lämpötila nousee, mikä johtaa ylikuumenemiseen ja lyhentää kondensaattorin käyttöikää tai vahingoittaa kondensaattoria.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi voidaan käyttää aktiivisia suodatinlaitteita, jotka käyttävät täysin digitaalista DSP+FPGA-ohjausmenetelmää ja jotka on kytketty järjestelmään rinnan. Ne voivat täysin kompensoida 2.–51. harmonisen yliaallon tai kompensoida tiettyjä harmonisia yliaalloja, poistaa harmoniset yliaallot järjestelmästä N-linjan vaurioiden estämiseksi ja suojata piirejä tulipalolta.
5. Johtopäätös
Nykyaikaisten tuotantoprosessien, teholaitteiden ja muiden edistyneiden tieteellisten keinojen käyttöönoton ja syventymisen myötä syntyy suuri määrä epälineaarisia tehoelektronisia laitteita, jotka parantavat biolääkkeiden laatua, mutta vaikuttavat samalla merkittävästi koko tehtaan sähkönsyöttö- ja jakelujärjestelmän sähkönlaatuun, erityisesti tieteellisissä tutkimuslaboratorioissa, joissa kuormitukset ovat vaihtelevia ja harmonisten yliaaltojen syntyminen ja muutokset ovat satunnaisia ja monimutkaisia. Tutkimalla biolääketeollisuuden rakennusten sähkönsyöttö- ja jakelujärjestelmän sähkönlaatua ja ehdottamalla järkevää ratkaisua yhdessä järjestelmäalustan kanssa voidaan parantaa biolääketeollisuuden sähkönsyötön laatua sekä vähentää sähköverkon turvallista ja taloudellista toimintaa.
Viitteet:
[1] Acrel Enterprise -mikroverkon suunnittelu- ja sovelluskäsikirja. Versio 2022.05
Julkaisun aika: 02.05.2025