周穎
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:現(xiàn)如今的汽車(chē)制造行業(yè),使用的機(jī)械設(shè)備越來(lái)越精密,制造技術(shù)與自動(dòng)化水平也越來(lái)越高,為此對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求高苛刻,同時(shí)對(duì)不能滿(mǎn)足現(xiàn)有生產(chǎn)工藝需求的供電質(zhì)量進(jìn)行治理。通過(guò)分析汽車(chē)制造過(guò)程中沖壓工藝、焊接工藝、涂裝工藝、總裝工藝產(chǎn)生的諧波、功率因數(shù)低、電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目治理案例,介紹了系統(tǒng)解決方案,并對(duì)取得治理效果進(jìn)行展示分析。
關(guān)鍵詞:汽車(chē)制造行業(yè);非線性負(fù)載;電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理;系統(tǒng)解決方案;
0.引言
??電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo),涉及發(fā)、供、用各方面的權(quán)益。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展,沖擊性、非線性的負(fù)載越來(lái)越多,尤其是電力電子器件的應(yīng)用,使得諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題尤為嚴(yán)重。汽車(chē)行業(yè)的電能質(zhì)量問(wèn)題,主要體現(xiàn)在汽車(chē)制造業(yè)中,而在汽車(chē)制造業(yè)中,主要體現(xiàn)在沖壓、焊接、涂裝、總裝生產(chǎn)工藝。整個(gè)汽車(chē)制造流程緊密銜接,具有高度集成的特點(diǎn),對(duì)電能質(zhì)量的要求相對(duì)較高。而任何一個(gè)制造工藝的供電故障、電氣事故都會(huì)影響到上一個(gè)工藝或下一個(gè)工藝的正常運(yùn)作。因此,治理諧波,提高電能質(zhì)量,營(yíng)造安全、穩(wěn)定、高效、健康的綠色電能質(zhì)量環(huán)境問(wèn)題是汽車(chē)制造行業(yè)的配電中非常重視的問(wèn)題。
1.汽車(chē)制造行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其危害
??汽車(chē)制造行業(yè)供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為沖壓設(shè)備、焊接設(shè)備、涂裝設(shè)備以及總裝設(shè)備四大類(lèi),具有畸變率高、功率因數(shù)低、種類(lèi)雜、數(shù)量多等特點(diǎn)。
1.1沖壓設(shè)備
1.1.1沖壓設(shè)備的用電現(xiàn)狀
??汽車(chē)車(chē)身沖壓成形是汽車(chē)制造技術(shù)的重要組成部分,其中大量使用數(shù)控沖床、等離子切割機(jī)床、多工位沖壓機(jī)床等大型設(shè)備。這些設(shè)備普遍采用直流電動(dòng)機(jī),是典型的諧波源及沖擊性負(fù)荷,產(chǎn)生的諧波不僅造成母線電壓波動(dòng),使設(shè)備無(wú)法運(yùn)行,還會(huì)使系統(tǒng)功率因數(shù)降低,電壓、電流波形嚴(yán)重畸變,增加系統(tǒng)的無(wú)功功率損耗,影響整個(gè)供電系統(tǒng)。主要是沖擊性負(fù)載,會(huì)引起功率因數(shù)很低,造成系統(tǒng)電壓會(huì)偏低的情況,同時(shí)會(huì)伴隨一些諧波,諧波電流約占設(shè)備全部開(kāi)啟后系統(tǒng)電流30%,諧波電壓會(huì)隨著系統(tǒng)負(fù)載的不同在7%-10%變動(dòng)狀況,但是主要還是5、7次諧波。
1.1.2對(duì)制造工藝的危害
??諧波導(dǎo)致過(guò)壓、過(guò)流、欠壓等電能質(zhì)量問(wèn)題,會(huì)使沖壓設(shè)備因過(guò)壓、過(guò)流而出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的沖壓,或因欠壓而導(dǎo)致壓力不夠、沖壓不到位,出現(xiàn)產(chǎn)品報(bào)廢等現(xiàn)象。諧波使系統(tǒng)損耗增加,增加系統(tǒng)的發(fā)熱量和噪聲污染。長(zhǎng)時(shí)間工作在不良電能環(huán)境中,會(huì)降低設(shè)備壽命,損壞電容補(bǔ)償裝置。沖擊性負(fù)荷會(huì)使供電系統(tǒng)不穩(wěn)定,造成嚴(yán)重的電壓閃變、瞬時(shí)電壓降低等現(xiàn)象,使某些設(shè)備停止運(yùn)行。
1.2焊接設(shè)備
1.2.1焊接設(shè)備的用電現(xiàn)狀
??汽車(chē)焊接主要用于車(chē)身的制造,有點(diǎn)焊、凸焊、二氧化碳保護(hù)焊和氬弧焊等多種方式(目大量使用焊接機(jī)器人)。對(duì)于帶涂層的鋼板、涂膠的鋼板、多層板及不同材質(zhì)板等條件下的焊接,傳統(tǒng)的工頻點(diǎn)焊機(jī)難以滿(mǎn)足焊接要求,中頻點(diǎn)焊機(jī)在越來(lái)越多的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用。中頻點(diǎn)焊機(jī)工作原理:工頻交流電經(jīng)整流、濾波后變成直流電,再通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)電子元件(如場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET或IGBT)的交替開(kāi)關(guān)作用,把直流電逆變成幾千赫茲到幾萬(wàn)赫茲的中頻交流電壓,經(jīng)主變壓器降壓后,再經(jīng)整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流。其工作過(guò)程簡(jiǎn)單表示為:工頻交流-直流-中頻交流-直流。焊機(jī)工作中頻點(diǎn)焊時(shí),焊接參數(shù)大概為預(yù)壓時(shí)間400ms~800ms,焊接時(shí)間200ms~450ms,焊接電流高達(dá)5~10kA,焊接脈沖數(shù)為1~20次,保持時(shí)間100ms~300ms。中頻點(diǎn)焊機(jī)工作頻繁,工作周期短,電流變換頻率高,主要表現(xiàn)為瞬時(shí)突變電流,功率因數(shù)低、無(wú)功和電壓波動(dòng)較大、諧波電流和電壓較大、三相電壓不平衡嚴(yán)重等。
1.2.2對(duì)制造工藝的危害
??點(diǎn)焊機(jī)是典型的單相沖擊性負(fù)載,也是典型的諧波源。因?yàn)楹笝C(jī)是兩相短路原理,會(huì)造成嚴(yán)重的電流不平衡的情況,同時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)很大,造成較大的沖擊性電流,功率因數(shù)會(huì)很低,甚至?xí)斐上到y(tǒng)電壓偏低的情況,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的諧波,并且諧波畸變率會(huì)比較高,估計(jì)會(huì)達(dá)到20%以上。諧波電流使得系統(tǒng)的電壓電流發(fā)生畸變,出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流,甚至引起保護(hù)裝置誤動(dòng),影響正常生產(chǎn)。還會(huì)造成焊件質(zhì)量不到位、虛焊、漏焊、誤焊等隱患,導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。另外,諧波電流使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行,導(dǎo)致中性線電流增大、中性線電纜的肌膚效應(yīng)相應(yīng)增大,降低電纜使用壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電纜,威脅整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
2.汽車(chē)制造行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征
2.1需求分析
??汽車(chē)行業(yè)自動(dòng)化水平在不斷提高,各種生產(chǎn)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高。工藝設(shè)備中由于采用變頻技術(shù)使得非線性負(fù)荷數(shù)量增長(zhǎng),非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)大量的諧波注入電網(wǎng)嚴(yán)重影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量;同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備中沖擊性負(fù)荷的存在,使得瞬時(shí)從電力系統(tǒng)吸收大量的沖擊性無(wú)功功率。應(yīng)用有效的電能質(zhì)量的調(diào)控設(shè)備,在現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提高輸電容量和質(zhì)量成為當(dāng)迫切需要解決的問(wèn)題。采用快速、靈活,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率和有源濾波裝置,對(duì)保證供電能質(zhì)量,建設(shè)綠色電網(wǎng),降低網(wǎng)損具有重大意義;也對(duì)工業(yè)企業(yè)減少不必要的浪費(fèi),降低成本,提高生產(chǎn)率,促進(jìn)企業(yè)和整個(gè)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,具有不可估量的社會(huì)意義。
2.2主要特征
??(1)新能源汽車(chē),行業(yè)市場(chǎng)景好,各地建廠或擴(kuò)建;
??(2)屬于中端制造業(yè),為保證正常生產(chǎn)配電電能質(zhì)量要求較高;
??(3)負(fù)載多樣化,沖壓機(jī)為沖擊性負(fù)載,需進(jìn)行補(bǔ)償。中頻焊機(jī)、變頻器是主要諧波源,需進(jìn)行諧波治理。
3.汽車(chē)制造行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案
3.1解決方案
??安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿(mǎn)足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求,致力于為汽車(chē)制造行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案,從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要,為用戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。
??經(jīng)過(guò)以上分析可以知道,在汽車(chē)制造行業(yè)中容易產(chǎn)生諧波畸變率大、功率因數(shù)偏低、三相不平衡嚴(yán)重等問(wèn)題。那么我們可以根據(jù)車(chē)間情況進(jìn)行分析治理方案。
??沖壓車(chē)間:主要是沖擊性負(fù)載,會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)偏低問(wèn)題,從而造成系統(tǒng)電壓偏低的情況。沖擊負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中伴有沖擊電流同時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分諧波,但是主要以5、7次諧波為主;因此可通過(guò)安裝有源無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行快速的補(bǔ)償無(wú)功,同時(shí)補(bǔ)償裝置在滿(mǎn)足裕量充足的情況下可以用來(lái)補(bǔ)償2~13次諧波。
??焊接車(chē)間:主要是中頻焊機(jī),焊機(jī)是兩相短路原理,會(huì)造成嚴(yán)重的電流不平衡的情況,同時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)很大,造成較大的沖擊性電流,導(dǎo)致功率因數(shù)偏低,甚至?xí)斐上到y(tǒng)電壓偏低的情況,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波,并且電壓諧波畸變率會(huì)比較高,估計(jì)會(huì)達(dá)到20%以上(標(biāo)要求不超過(guò)5%)。因此可通過(guò)安裝有源無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償無(wú)功、治理三相不平衡;另外需單獨(dú)安裝有源諧波治理裝置來(lái)治理諧波。
涂裝和總裝車(chē)間:負(fù)載主要整流變頻設(shè)備,變頻設(shè)備一般為容性負(fù)載,本身功率因數(shù)較高,但運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生部分諧波,主要以6N±1次諧波為主,因此可安裝有源諧波治理裝置進(jìn)行諧波治理。
4.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型
4.1集中治理
??針對(duì)汽車(chē)制造行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、水泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,為減少諧波對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害,同時(shí)確保無(wú)功功率因數(shù)達(dá)到標(biāo)要求值,避免罰款,可采用配電房集中治理的方式,同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè),其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)等,其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。
表1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及集中治理產(chǎn)品選型表
4.2就地治理
??汽車(chē)制造各個(gè)生產(chǎn)車(chē)間內(nèi),包含了行車(chē)、液壓機(jī)床、弧焊機(jī)、升降平臺(tái)、同步舉升機(jī)等各種設(shè)備,運(yùn)行過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)有影響的諧波,通常電流畸變率在30%左右。同時(shí),在車(chē)間通常選用LED日光燈、金鹵燈、無(wú)極燈、工業(yè)風(fēng)扇、工業(yè)吊扇等設(shè)備,此類(lèi)設(shè)備的諧波電流通常以3次諧波為主,3次諧波電流作為序電流,三相矢量角度也是一致的。因此N線會(huì)進(jìn)行疊加,致使N線的電流過(guò)大。針對(duì)上述負(fù)載情況,建議在各個(gè)重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理,以達(dá)到終端治理諧波的目的,避免影響到整個(gè)配電系統(tǒng)的和其他的用電設(shè)備,末端治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表2。
表2末端治理產(chǎn)品選型表
5.南京某汽車(chē)制造公司電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例
5.1項(xiàng)目背景
??南京某汽車(chē)制造商車(chē)間設(shè)備近年來(lái)受諧波影響,尤其沖壓和焊接設(shè)備大量使用,導(dǎo)致廠區(qū)電能質(zhì)量較差,變壓器及線纜的損耗增加,現(xiàn)場(chǎng)有個(gè)別無(wú)功柜內(nèi)電容器鼓包損壞,無(wú)功需量增加,導(dǎo)致功率因數(shù)過(guò)低,同時(shí)其它電氣設(shè)備的老化程度明顯損耗逐漸上升,出現(xiàn)各種電氣故障。分別對(duì)廠區(qū)1#室內(nèi)配電房以及2#戶(hù)外箱進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試,并根據(jù)具體測(cè)量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。
5.2測(cè)量結(jié)果
測(cè)量數(shù)據(jù)
??由上述測(cè)量數(shù)據(jù)可看出,1#室內(nèi)配電房和2#戶(hù)外箱無(wú)功功率因數(shù)分別為0.7和0.78,低于家要求的0.9的標(biāo)準(zhǔn)。1#室內(nèi)配電房所在的供配電系統(tǒng)中5次、7次和11次諧波電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載設(shè)備主要為電動(dòng)機(jī)、變頻器、沖壓設(shè)備、焊接設(shè)備、涂裝設(shè)備以及總裝設(shè)備等,可通過(guò)在配電房集中治理,消除諧波電壓/電流對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)、變壓器、無(wú)功柜和其它用電設(shè)備的影響;為了消除末端設(shè)備(例如電焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)和沖壓機(jī)等工業(yè)負(fù)載)產(chǎn)生的諧波影響及危害,可采用有針對(duì)性的就地治理解決方案,以至于達(dá)到準(zhǔn)確治理的效果。
5.3解決方案
??由于系統(tǒng)中無(wú)功柜均為傳統(tǒng)無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償電容器件,5次和7次諧波電流極易灌入電容柜中,與5其產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,放大諧波電流,使無(wú)功柜受到損害,無(wú)功柜在諧波較大的場(chǎng)合建議改造,同時(shí)增加濾波裝置,具體方案如下:
??方案一:集中治理:建議配電房換無(wú)功柜,由于傳統(tǒng)無(wú)源電容裝置在負(fù)載電流快速變化時(shí)和電網(wǎng)電壓、電流畸變率高時(shí)無(wú)法及時(shí)響應(yīng),同時(shí)極容易諧振,燒毀電容器和投切開(kāi)關(guān),因此建議選用AnCos-GⅠ型有源無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,該裝置具備無(wú)極性補(bǔ)償、毫秒級(jí)全響應(yīng)時(shí)間及適合在負(fù)載快速變化場(chǎng)合的特點(diǎn),同時(shí)是由IGBT構(gòu)成的有源型補(bǔ)償裝置,不會(huì)諧振。另外增加AnSin-GⅠ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中諧波治理,減少諧波對(duì)電網(wǎng)、變壓器及供配電系統(tǒng)的危害,改善供電系統(tǒng)電壓和電流穩(wěn)定性,提升系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。
??方案二:就地治理:建議在樓層配電間或電焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)和沖壓機(jī)等工業(yè)負(fù)載(負(fù)載變比快、畸變率較高)末端加裝AnSinⅠ型有源諧波治理裝置,可對(duì)2-31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償,達(dá)到終端治理諧波的目的。
6.結(jié)論
??目汽車(chē)制造行業(yè)中的設(shè)備普遍采用的是電力電子變流和控制器件,致使車(chē)間的非線性制造設(shè)備負(fù)荷的種類(lèi)和數(shù)量大幅度增加,諧波污染日趨嚴(yán)重,給配電系統(tǒng)和制造設(shè)備帶來(lái)巨大危害。但車(chē)間的供配電系統(tǒng)諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視,諧波造成的變壓器內(nèi)損和異常發(fā)熱、設(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。通過(guò)對(duì)汽車(chē)制造車(chē)間供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究,安科瑞為汽車(chē)制造行業(yè)提供了一套完整的電能治理監(jiān)測(cè)與治理的系統(tǒng)解決方案,使汽車(chē)制造行業(yè)的電能質(zhì)量問(wèn)題得到了有效的治理。
作者介紹:
周穎,女,本科 安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電