Résumé : Avec la généralisation des appareils électroniques, les charges non linéaires augmentent, ce qui aggrave la pollution harmonique des réseaux électriques d'entreprise. Les effets néfastes des harmoniques dégradent la qualité de l'électricité, augmentent les pertes additionnelles et diminuent la fiabilité du réseau. Il en résulte des perturbations du fonctionnement normal des équipements d'alimentation et de consommation électrique, pouvant même entraîner des dommages et des pannes électriques. Compte tenu des exigences et de l'état actuel de la sécurité électrique, cet article analyse les fonctions et les effets des filtres actifs dans les systèmes d'alimentation de sécurité des industries biopharmaceutiques.
Mots-clés : harmonique, qualité de l’énergie, filtre actif
1. Introduction
De nos jours, une grande variété de dispositifs d'électronique de puissance sont largement utilisés dans les entreprises pharmaceutiques, les redresseurs y occupant une place prépondérante. L'alimentation en courant continu requise par les onduleurs et les hacheurs CC, entre autres, provient principalement des circuits redresseurs. Les redresseurs à thyristors commandés en phase ou à diodes constituent une source importante d'harmoniques. Bien que la capacité unitaire des équipements électriques soit faible, leur nombre est considérable, la plupart d'entre eux intégrant des alimentations à découpage. L'utilisation croissante de divers types d'alimentations à découpage et de convertisseurs de fréquence, combinée aux harmoniques générées par les lampes fluorescentes, contribue à une pollution harmonique de plus en plus marquée du réseau électrique. Les harmoniques du réseau déforment la forme d'onde de la tension et du courant, provoquant de nombreux phénomènes anormaux et des pannes dans le système électrique et les équipements de l'entreprise. La prévention efficace des harmoniques est devenue un élément essentiel à la sécurité d'exploitation du système électrique de l'entreprise. Le filtre actif collecte le courant harmonique via le CT, calcule et extrait rapidement le contenu de chaque harmonique par le CPU, et envoie des instructions pour que le dispositif de puissance 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 en clusters. Ce développement est une tendance inévitable pour l'avenir. La production biopharmaceutique repose sur une combinaison de procédés nécessitant l'interconnexion de divers acteurs ; la gestion de la qualité de l'énergie est donc primordiale. Toute défaillance d'équipement ou du réseau électrique entraîne une baisse significative des bénéfices économiques.
2.2 Les principales charges sont des pompes et des moteurs entraînés par des variateurs de fréquence. La principale source d'harmoniques est le variateur de fréquence, qui génère un taux élevé d'harmoniques et nécessite une configuration spécifique du filtre actif de puissance (APF) pour la gestion des harmoniques.
3. Sources d'harmoniques dans le système d'alimentation et de distribution électrique biopharmaceutique
Avec le développement rapide de l'industrie pharmaceutique, de nombreux équipements de pointe sont devenus nécessaires. On observe un grand nombre de pompes et de moteurs, dont beaucoup sont équipés de convertisseurs de fréquence. L'utilisation massive de ces convertisseurs entraîne une forte augmentation du taux d'harmoniques dans le réseau de distribution électrique.
Actuellement, la plupart des convertisseurs de fréquence utilisent un redressement à six impulsions pour convertir le courant alternatif en courant continu, ce qui explique que les harmoniques soient principalement de rang 5, 7 et 11. Par ailleurs, les entreprises pharmaceutiques disposent généralement de laboratoires et de lignes de production automatisées équipés de nombreux dispositifs de précision, qui sont souvent à la fois sources et victimes d'harmoniques. Ces dernières perturbent le fonctionnement normal des équipements de laboratoire, entraînant l'annulation d'expériences en cours ; elles affectent également les automates programmables 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 répercussions importantes et causent des dommages considérables, nécessitant une gestion urgente.
3.1 Stations et laboratoires de recherche
Dans les laboratoires, de nombreux équipements sensibles nécessitent un réseau électrique propre pour assurer leur bon fonctionnement. Il s'agit notamment d'instruments de haute technologie, d'instruments de précision, d'équipements de mesure, d'alimentations à découpage, d'onduleurs redresseurs, d'UPS/EPS, etc. Ces équipements constituent également d'importantes sources d'harmoniques. Les laboratoires et autres lieux comportant un grand nombre de charges d'alimentations à découpage produisent des harmoniques 3, 5 et 7 significatives. Il convient donc de porter une attention particulière à l'influence du courant harmonique 3 sur le neutre.
3.2 Lignes de production automatisées
La fermentation est une étape essentielle de la production de principes actifs pharmaceutiques (API) et se déroule dans un fermenteur. Avec l'augmentation constante des volumes de production, la mise à jour des procédés et la multiplication des variétés, les exigences en matière de contrôle du fermenteur, notamment la fréquence et la durée d'agitation, évoluent. Face à des charges importantes, une forte consommation d'énergie et des cycles de fermentation longs, les entreprises de production de fermenteurs ont modernisé leurs équipements ces dernières années. Le contrôle de la fréquence permet de répondre aux exigences du processus de production tout en réduisant la consommation. Cependant, l'automatisation croissante engendre une pollution énergétique de plus en plus importante, ainsi que des interférences accrues avec le système de contrôle automatique. Par conséquent, les exigences relatives au filtrage et à la purification de l'alimentation électrique, afin d'obtenir une alimentation relativement stable et propre, sont de plus en plus élevées.
4. Cas pratique
Prenons l'exemple d'un projet de gestion de la qualité de l'énergie électrique 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, et le réacteur de l'armoire à condensateurs de l'atelier de production semble avoir brûlé, tandis que le câble neutre (fil N) surchauffe. La principale cause probable est la présence de nombreux équipements (climatisation à onduleur, matériel informatique et de communication, éclairage LED, pompes, etc.) dans le bâtiment administratif et l'atelier de production, générant des harmoniques qui affectent l'ensemble du système d'alimentation et de distribution électrique. Il est donc nécessaire de mesurer la qualité de l'énergie dans les salles de distribution du bâtiment administratif et de l'atelier de production, et d'apporter des solutions adaptées en fonction des données recueillies.
4.1 Données de mesure harmonique dans la salle de distribution de l'immeuble de bureaux principal
| Données de mesure harmonique dans la salle de distribution de l'immeuble de bureaux. | ||||||
| actuel | taux de distorsion actuel | contenu harmonique | 3ème harmonique | 5ème harmonique | 7ème 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 | 21,7A | 57.1A | 35.2A |
4.2 Données de mesure harmonique dans la salle de distribution de l'atelier de production
| Données de mesure harmonique dans la salle de distribution de l'atelier de production | ||||||
| actuel | taux de distorsion actuel | contenu harmonique | 3ème harmonique | 5ème harmonique | 7ème 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 | ||||
D'après les deux séries de mesures mentionnées, il apparaît que les harmoniques du bâtiment administratif sont principalement de rang 5 et 7, avec un taux de distorsion harmonique (THD) atteignant 22 %. La gestion centralisée des harmoniques de rang 5 et 7 dans le local de distribution permet d'éliminer leur impact sur l'ensemble du système d'alimentation et de distribution électrique, les transformateurs, les armoires de condensateurs et autres équipements électriques, garantissant ainsi la continuité de la production biopharmaceutique. Dans le local de distribution de l'atelier de production, les harmoniques sont plus importantes : les harmoniques de rang 3 et 5 dépassent la norme nationale GB/T14549-1993 « Harmoniques dans les réseaux de distribution publics » (0,38 kV). Les armoires de condensateurs sur site sont connectées en série avec une réactance de 7 %. Les harmoniques de rang 3 et 5 pénètrent dans l'armoire à condensateurs, et le courant harmonique se superpose au courant fondamental du condensateur, ce qui augmente le courant de fonctionnement du condensateur et fait monter sa température, entraînant une surchauffe et réduisant sa durée de vie, voire l'endommageant.
Les filtres actifs, qui utilisent une méthode de contrôle entièrement numérique DSP+FPGA et sont connectés en parallèle dans le système, permettent de résoudre ces problèmes. Ils compensent intégralement les harmoniques de rang 2 à 51 ou des harmoniques spécifiques, éliminent les harmoniques du système afin de prévenir les dommages à la ligne N et protègent les circuits contre les incendies.
5. Conclusion
Avec l'introduction et le perfectionnement des procédés de production modernes, des équipements électriques et autres moyens scientifiques avancés, un grand nombre d'équipements électroniques de puissance non linéaires font leur apparition. Si ces équipements améliorent la qualité des produits biopharmaceutiques, ils ont également un impact considérable sur la qualité de l'alimentation électrique du réseau de distribution de l'ensemble de l'usine, en particulier dans les laboratoires de recherche scientifique, où les charges sont diverses et où la génération et les variations harmoniques sont très aléatoires et complexes. En étudiant la qualité de l'alimentation électrique du réseau de distribution des bâtiments biopharmaceutiques et en proposant une solution adaptée à la plateforme système, il est possible d'améliorer la qualité de l'alimentation électrique dans le secteur biopharmaceutique, d'assurer un fonctionnement sûr et économique du réseau et de réduire la consommation d'énergie.
Références :
[1] Manuel de conception et d'application des microréseaux d'entreprise Acrel. Version 2022.05
Date de publication : 2 mai 2025