Résumé : Avec la généralisation des appareils électroniques, les charges non linéaires augmentent, ce qui aggrave la pollution harmonique des réseaux électriques des entreprises. En raison des effets néfastes des harmoniques, la qualité de l'électricité se dégrade, les pertes supplémentaires augmentent et la fiabilité du réseau électrique diminue. Le fonctionnement normal des équipements d'alimentation et de consommation des entreprises est alors affecté, voire endommagé, provoquant des pannes électriques. En se basant sur les exigences et la situation actuelle en matière de sécurité électrique, cet article analyse les fonctions et les effets des dispositifs de filtrage actif dans les systèmes d'alimentation électrique de sécurité biopharmaceutique.
Mots clés : harmonique, qualité de l'énergie, filtre actif
1. Introduction
De nos jours, une grande variété de dispositifs électroniques de puissance sont largement utilisés dans les entreprises pharmaceutiques, où les redresseurs représentent une part importante. L'alimentation en courant continu requise par les onduleurs et les hacheurs CC, entre autres, provient principalement du circuit redresseur. Le circuit redresseur à thyristors ou le circuit redresseur à diodes constituent une source importante d'harmoniques. Bien que la capacité individuelle des équipements électriques soit faible, leur nombre est important, la plupart utilisant des alimentations à découpage. Divers types d'alimentations à découpage et de convertisseurs de fréquence sont de plus en plus utilisés, conjugués aux harmoniques générées par les lampes fluorescentes, ce qui entraîne une pollution harmonique de plus en plus importante des alimentations. Les harmoniques du réseau déforment la tension et le courant, provoquant de nombreux phénomènes anormaux et défauts dans le système électrique et les équipements électriques de l'entreprise. Une prévention efficace des harmoniques est devenue un élément essentiel de la sécurité d'exploitation du système électrique de l'entreprise. Le filtre actif collecte le courant harmonique via CT, calcule et extrait rapidement le contenu de chaque harmonique par CPU, et envoie des instructions pour que le dispositif d'alimentation produise le courant de compensation d'amplitude égale et de direction opposée au courant harmonique, et l'injecte dans le réseau électrique afin de compenser le courant harmonique dans le système.
2. Principales caractéristiques de la qualité de l'énergie dans l'industrie biopharmaceutique
2.1 L'industrie biopharmaceutique connaît un développement de clusters. Ce développement est une tendance inévitable à l'avenir. L'industrie biopharmaceutique est une combinaison de procédés nécessitant une connexion à différents maillons. La gestion de la qualité de l'énergie est donc particulièrement importante. Une panne d'équipement ou de réseau électrique entraîne une diminution linéaire des bénéfices économiques.
2.2 Les principales charges sont des pompes et des moteurs entraînés par des convertisseurs de fréquence. La principale source d'harmoniques est le convertisseur de fréquence, qui présente une teneur élevée en harmoniques, ce qui nécessite une configuration distincte de l'APF pour la gestion des harmoniques.
3. Sources harmoniques dans les systèmes d'alimentation et de distribution d'énergie biopharmaceutique
Avec le développement rapide de l'industrie pharmaceutique, de nombreux équipements de pointe sont devenus nécessaires. Il existe un grand nombre de pompes et de moteurs, dont beaucoup sont équipés de convertisseurs de fréquence. La multitude d'applications des convertisseurs de fréquence accroît considérablement le contenu harmonique du réseau de distribution d'énergie.
Actuellement, la plupart des convertisseurs de fréquence utilisent un redressement à six impulsions pour convertir le courant alternatif en courant continu. Les harmoniques sont donc principalement de rang 5, 7 et 11. Parallèlement, les laboratoires et les lignes de production automatisées des entreprises pharmaceutiques sont généralement équipés d'un grand nombre d'appareils de précision, qui sont souvent à la fois générateurs et victimes d'harmoniques. Les harmoniques perturbent le fonctionnement normal des équipements de laboratoire, entraînant la perte des expériences en cours ; elles affectent également les contrôleurs intelligents et les systèmes PLC des lignes de production automatisées, provoquant des pannes des équipements de contrôle automatique. Par conséquent, les problèmes d'harmoniques dans les entreprises pharmaceutiques ont des conséquences considérables et des conséquences graves, qu'il est urgent de gérer.
3.1 Stations et laboratoires de recherche
Dans les laboratoires, de nombreux équipements sensibles nécessitent un environnement réseau propre pour assurer le bon fonctionnement du système. Il s'agit notamment des instruments de haute technologie, des instruments de précision et des équipements de mesure, des alimentations à découpage, des redresseurs-onduleurs, des onduleurs et des systèmes de distribution d'énergie (ASI), qui sont également des sources d'harmoniques plus importantes. Les laboratoires et autres lieux où se trouvent de nombreuses charges d'alimentation à découpage produisent d'importantes harmoniques de 3e, 5e et 7e harmoniques. Il convient donc d'accorder une attention particulière à l'effet du courant de 3e harmonique sur la ligne neutre.
3.2 Lignes de production automatiques
La fermentation est une étape importante de la production d'API, produite par le fermenteur. Avec l'augmentation continue de la production, la modernisation des procédés et l'augmentation de la variété, les exigences en matière de contrôle du fermenteur, de fréquence d'agitation et de réglage de la durée de fermentation sont différentes. Face aux charges élevées, à la forte consommation d'énergie et aux longs cycles de fermentation, les entreprises de fermentation ont adopté ces dernières années diverses méthodes pour moderniser leurs équipements. Le contrôle de la fréquence permet à la fois de répondre aux exigences du processus de production et de réduire la consommation. Cependant, avec l'amélioration continue de l'automatisation, la pollution énergétique due aux équipements automatisés s'aggrave. Les interférences avec le système de contrôle automatique sont de plus en plus fortes. Les exigences en matière de filtrage et de purification de l'alimentation électrique pour une alimentation électrique stable et écologique sont également de plus en plus élevées.
4. Cas pratique
Prenons l'exemple d'un projet de gestion de la qualité de l'énergie dans une usine biopharmaceutique de la province du Shandong. D'après les retours du responsable de l'usine, des déclenchements fréquents se produisent dans le bâtiment administratif de l'usine. Le réacteur de l'armoire de condensateurs de l'atelier de production semble avoir brûlé et le câble N est en surchauffe. La principale cause probable est la présence de nombreuses charges (climatisation à onduleur, équipements informatiques et de communication, éclairage LED, pompes, etc.) dans le bâtiment administratif et l'atelier de production, ce qui génère des harmoniques et affecte l'ensemble du système d'alimentation et de distribution. Il est désormais nécessaire de mesurer les locaux de distribution du bâtiment administratif et de l'atelier de production et de proposer une solution adaptée en fonction des données de qualité de l'énergie correspondantes.
4.1 Données de mesure harmoniques dans la salle de distribution de l'immeuble de bureaux complet
| Données de mesure des harmoniques dans la salle de distribution de l'immeuble de bureaux complet | ||||||
| actuel | taux de distorsion actuel | contenu harmonique | 3ème harmonique | 5ème harmonique | 7e harmonique | |
| 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 | 320A | 22,6% | 72.32A | 21,7 A | 57.1A | 35,2A |
4.2 Données de mesure des harmoniques dans la salle de distribution de l'atelier de production
| Données de mesure d'harmoniques dans la salle de distribution de l'atelier de production | ||||||
| actuel | taux de distorsion actuel | contenu harmonique | 3ème harmonique | 5ème harmonique | 7e harmonique | |
| 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 | ||||
Les deux séries de mesures ci-dessus permettent de conclure que les harmoniques de l'immeuble de bureaux sont principalement de 5e et 7e, avec un taux de distorsion du courant pouvant atteindre 22 %. La gestion centralisée des harmoniques de 5e et 7e dans la salle de distribution permet d'éliminer leur impact sur l'ensemble du système d'alimentation et de distribution, les transformateurs, les armoires de condensateurs et autres équipements électriques, afin de garantir la production normale de produits biopharmaceutiques. Les harmoniques de la salle de distribution de l'atelier de production sont plus importantes : les harmoniques de 3e et 5e dépassent la norme nationale GB/T14549-1993 « Harmoniques dans le réseau d'alimentation public » de 0,38 kV. Les armoires de condensateurs sur site sont connectées en série avec une réactance de 7 %. Les 3e et 5e harmoniques circulent dans l'armoire du condensateur et le courant harmonique se superpose au courant fondamental du condensateur, ce qui fait que le courant de fonctionnement du condensateur devient plus important et que la température augmente, ce qui entraîne une surchauffe et réduit la durée de vie du condensateur ou provoque l'endommagement du condensateur.
Pour résoudre ces problèmes, des dispositifs de filtrage actifs adoptent une méthode de contrôle entièrement numérique DSP+FPGA et sont connectés en parallèle au système. Ils peuvent compenser intégralement les harmoniques 2 à 51, ou des harmoniques spécifiques, éliminer les harmoniques du système pour éviter d'endommager la ligne N et protéger les circuits contre les incendies.
5. Conclusion
Avec l'introduction et le perfectionnement des procédés de production modernes, des équipements électriques et d'autres moyens scientifiques avancés, un grand nombre d'équipements électroniques de puissance non linéaires apparaissent. Ces équipements améliorent la qualité des produits biopharmaceutiques, mais ont également un impact important sur la qualité de l'alimentation et du système de distribution de l'ensemble de l'usine, notamment dans les laboratoires de recherche scientifique, où les charges sont diverses et où la génération et les variations d'harmoniques sont très aléatoires et complexes. L'étude de la qualité de l'alimentation et du système de distribution des bâtiments biopharmaceutiques et la proposition d'une solution raisonnable, en lien avec la plateforme système, permettent d'améliorer la qualité de l'alimentation électrique des entreprises biopharmaceutiques, de garantir un fonctionnement sûr et économique du réseau et de réduire la consommation d'énergie.
Références :
[1] Manuel de conception et d'application du microréseau d'entreprise Acrel. Version 2022.05.
Date de publication : 02 mai 2025