Resumo: Com o uso generalizado de dispositivos eletrônicos, as cargas não lineares estão aumentando, o que resulta em uma poluição harmônica cada vez mais grave nas redes elétricas empresariais. Devido aos efeitos adversos dos harmônicos, a qualidade da energia elétrica se deteriora, as perdas adicionais aumentam e a confiabilidade da rede elétrica diminui, afetando o funcionamento normal dos equipamentos de fornecimento e consumo de energia das empresas, podendo até mesmo danificar equipamentos e causar falhas elétricas. Com base nos requisitos e na situação atual da segurança elétrica, este artigo analisa as funções e os efeitos de dispositivos de filtragem ativa em sistemas de alimentação de energia seguros para a indústria biofarmacêutica.
Palavras-chave: harmônicos, qualidade de energia, filtro ativo
1. Introdução
Atualmente, diversos dispositivos eletrônicos de potência são amplamente utilizados em empresas farmacêuticas, sendo os retificadores uma importante fonte de energia. A alimentação em corrente contínua (CC) necessária para inversores e conversores CC, entre outros, provém principalmente de circuitos retificadores. Os circuitos retificadores controlados por fase com tiristores ou os circuitos retificadores com diodos são fontes significativas de harmônicos. Embora a capacidade individual dos equipamentos elétricos seja pequena, seu número é enorme, sendo a maioria fontes de alimentação chaveadas. O uso crescente de diversos tipos de fontes de alimentação chaveadas e conversores de frequência, juntamente com os harmônicos gerados por lâmpadas fluorescentes, faz com que a poluição harmônica da rede elétrica se torne cada vez mais evidente. Os harmônicos da rede elétrica distorcem as formas de onda da tensão e da corrente, causando diversos fenômenos anormais e falhas nos sistemas de energia e equipamentos elétricos das empresas. A prevenção eficaz de harmônicos tornou-se parte essencial da operação segura dos sistemas de energia das empresas. O filtro ativo coleta a corrente harmônica através do TC (transformador de corrente), calculando e extraindo rapidamente o conteúdo de cada harmônico pela CPU (processador computadorizado) e enviando instruções para que o dispositivo de potência produza a corrente de compensação de amplitude igual e direção oposta à corrente harmônica, injetando-a na rede elétrica para compensar a corrente harmônica no sistema.
2. Principais características da qualidade da energia na indústria biofarmacêutica
2.1 A indústria biofarmacêutica apresenta desenvolvimento em clusters. O desenvolvimento de clusters industriais é uma tendência inevitável para o futuro. A biofarmacêutica é uma combinação de processos que necessitam de interconexão em diversas etapas, portanto, a gestão da qualidade da energia é particularmente importante. Falhas em equipamentos ou no sistema de energia levam a uma queda linear nos lucros econômicos.
2.2 As principais cargas são bombas e motores acionados por conversores de frequência. A principal fonte de harmônicos é o conversor de frequência, que apresenta um alto teor de harmônicos, o que exige uma configuração separada do APF para o gerenciamento de harmônicos.
3. Fontes harmônicas em sistemas de alimentação e distribuição de energia biofarmacêutica
Com o rápido desenvolvimento da indústria farmacêutica, muitos equipamentos avançados passaram a ser necessários para esse setor. Existe um grande número de cargas de bombas e motores, muitos dos quais equipados com conversores de frequência. A ampla utilização de conversores de frequência aumenta consideravelmente o conteúdo harmônico do sistema de distribuição de energia.
Atualmente, a maioria dos conversores de frequência utiliza retificação de 6 pulsos para converter corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC), resultando principalmente em harmônicos de 5ª, 7ª e 11ª ordem. Ao mesmo tempo, laboratórios e linhas de produção automatizadas em empresas farmacêuticas geralmente possuem um grande número de dispositivos de precisão, que, em muitos casos, são tanto geradores quanto afetados por harmônicos. Os harmônicos podem prejudicar o funcionamento normal dos equipamentos em laboratório, comprometendo experimentos em andamento; além disso, podem afetar controladores inteligentes e sistemas PLC em linhas de produção automatizadas, causando falhas nos equipamentos de controle automático. Portanto, os problemas com harmônicos em empresas farmacêuticas têm um impacto abrangente e causam sérios danos, necessitando de gerenciamento urgente.
3.1 Estações e laboratórios de pesquisa
Em laboratórios, um grande número de equipamentos sensíveis necessita de um ambiente de rede limpo para garantir o funcionamento normal do sistema, como instrumentos de alta tecnologia, instrumentos de precisão e equipamentos de medição, fontes de alimentação chaveadas, inversores retificadores, UPS/EPS, etc., que também são fontes significativas de harmônicos. Laboratórios e outros locais com grande quantidade de cargas de fontes de alimentação chaveadas produzem harmônicos de 3ª, 5ª e 7ª ordem em níveis consideráveis, sendo necessário prestar atenção especial ao efeito da corrente do 3º harmônico na linha neutra.
3.2 Linhas de produção automáticas
A fermentação é uma parte importante da produção de IFA (Ingrediente Farmacêutico Ativo), sendo realizada em fermentadores. Com a expansão contínua da produção, a atualização de novos processos e o aumento de novas variedades, surgem diferentes requisitos para o controle do fermentador, como o ajuste da frequência e do tempo de agitação. Em situações com cargas elevadas, alto consumo de energia e ciclos de fermentação longos, nos últimos anos, as empresas de produção de fermentados têm adotado diversos métodos para modernizar seus equipamentos. O controle de frequência pode atender às exigências do processo produtivo e reduzir o consumo. No entanto, com o avanço da automação, a poluição energética causada pelos equipamentos automatizados também tem se agravado. A interferência correspondente no sistema de controle automático também se torna cada vez maior. Consequentemente, as exigências para a filtragem e purificação da energia elétrica, visando obter um fornecimento estável e sustentável, também se tornam cada vez mais rigorosas.
4. Caso prático
Tomemos como exemplo um projeto de gestão da qualidade de energia em uma indústria biofarmacêutica na província de Shandong. Segundo o responsável pela planta, ocorrem frequentes interrupções de energia no prédio administrativo, e o reator no painel de capacitores da área de produção apresenta sinais de queima, assim como o cabo de alimentação (fio N). Acredita-se que a principal causa seja a grande quantidade de equipamentos, como ar-condicionado com inversor, computadores e equipamentos de comunicação, iluminação LED, bombas e outros, presentes no prédio administrativo e na área de produção. Esses equipamentos geram harmônicos que afetam todo o sistema de fornecimento e distribuição de energia. É necessário, portanto, realizar medições nas salas de distribuição do prédio administrativo e da área de produção e propor a solução adequada com base nos dados de qualidade de energia obtidos.
4.1 Dados de medição harmônica na sala de distribuição do edifício de escritórios principal
| Dados de medição harmônica na sala de distribuição do edifício de escritórios principal. | ||||||
| atual | taxa de distorção atual | conteúdo harmônico | 3º harmônico | 5º harmônico | 7º harmônico | |
| 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 | 21,7A | 57.1A | 35.2A |
4.2 Dados de medição harmônica na sala de distribuição da oficina de produção
| Dados de medição harmônica na sala de distribuição da oficina de produção. | ||||||
| atual | taxa de distorção atual | conteúdo harmônico | 3º harmônico | 5º harmônico | 7º harmônico | |
| 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 | ||||
A partir dos dois conjuntos de dados de medição acima, conclui-se que os harmônicos do edifício de escritórios são principalmente de 5ª e 7ª ordem, com uma taxa de distorção de corrente de até 22%. Os harmônicos de 5ª e 7ª ordem podem ser gerenciados centralmente na sala de distribuição para eliminar o impacto harmônico em todo o sistema de alimentação e distribuição de energia, transformadores, painéis de capacitores e outros equipamentos elétricos, garantindo assim a produção normal de biofármacos. Os harmônicos na sala de distribuição da oficina de produção são mais graves, onde os harmônicos de 3ª e 5ª ordem excederam o padrão nacional GB/T14549-1993 para "harmônicos em redes de distribuição de energia", com valor de corrente harmônica de 0,38 kV. Os painéis de capacitores no local estão conectados em série com uma reatância de 7%. A 3ª e a 5ª harmônicas fluem para dentro do gabinete do capacitor, e a corrente harmônica se sobrepõe à corrente fundamental do capacitor, o que faz com que a corrente de operação do capacitor aumente e a temperatura suba, levando ao superaquecimento e reduzindo a vida útil do capacitor ou causando danos ao mesmo.
Os dispositivos de filtro ativo podem ser usados para resolver esses problemas, adotando o método de controle totalmente digital DSP+FPGA e sendo conectados em paralelo no sistema. Eles podem compensar totalmente os harmônicos de 2ª a 51ª ordem ou compensar harmônicos específicos, eliminando-os no sistema para evitar danos à linha N e proteger os circuitos contra incêndio.
5. Conclusão
Com a introdução e o aprofundamento de processos de produção modernos, equipamentos de energia e outros meios científicos avançados, surge um grande número de equipamentos eletrônicos de potência não lineares. Embora melhorem a qualidade dos biofármacos, esses equipamentos também impactam severamente a qualidade da energia em todo o sistema de fornecimento e distribuição de energia da planta, especialmente nos laboratórios de pesquisa científica, onde as cargas são diversas e a geração e as variações de harmônicos apresentam grande aleatoriedade e complexidade. Ao estudar a qualidade da energia no sistema de fornecimento e distribuição em instalações biofarmacêuticas e propor uma solução adequada em conjunto com a plataforma do sistema, é possível melhorar a qualidade do fornecimento de energia, bem como garantir a operação segura e econômica da rede e reduzir o consumo de energia.
Referências:
[1] Manual de Projeto e Aplicação de Microrredes da Acrel Enterprise. Versão 2022.05
Data da publicação: 02 de maio de 2025