動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償在汽車焊接車間工程應(yīng)用的研究

摘要 

本文討論了用于汽車焊接車間的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕泳€方式以及指標(biāo)要求，針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中的多變壓器多母線環(huán)接法也進(jìn)行了研究，并給出了焊接車間動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)際測(cè)試效果，為工程應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)、選型提供了一些參考。

引言

隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車整車工廠的規(guī)模也越來(lái)越大，汽車廠的四大工藝流程沖壓、焊裝、涂裝、總裝對(duì)配電系統(tǒng)都提出了很高的要求。其中焊接車間對(duì)電壓穩(wěn)定的要求更高，汽車焊接車間的點(diǎn)焊機(jī)負(fù)載變化極為快速，其負(fù)荷特點(diǎn)是工作時(shí)間很短，一般只有幾百毫秒，功率因數(shù)很低，一般只有0.4-0.6，是典型的非線性沖擊性負(fù)荷。因?yàn)榻鯇?shí)時(shí)的無(wú)功能量的消耗而產(chǎn)生了大的電流變化，導(dǎo)致電壓的大幅度波動(dòng)，這些波動(dòng)會(huì)降低焊接質(zhì)量、降低焊接生產(chǎn)線的能力。

本公司機(jī)器人專用點(diǎn)焊鉗在上汽大眾B+SUV車型主焊線上

近年來(lái)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償在汽車焊接車間被越來(lái)越多地采用，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償不僅僅可以提高功率因數(shù)、提高變壓器的利用率，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定電壓、消除閃變的作用，能明顯地提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，充分地利用現(xiàn)有的設(shè)備、減少基本費(fèi)用開(kāi)支。

本文從汽車焊接車間的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊恍┘夹g(shù)特點(diǎn)和工程應(yīng)用進(jìn)行了討論。

1、汽車焊接車間動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償接線方式的選擇

不同的電容器接線方法會(huì)影響到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕泳€方式大致分為4 種類型（圖1）：星型無(wú)中性線接法、星型有中性線接法、三角型外接法、三角型內(nèi)接法。

圖1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)?種接線方式

① 星型無(wú)中性線接法的接線簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有中線起到電位固定的作用，可能產(chǎn)生電壓漂移，會(huì)造成某相電壓過(guò)高，超過(guò)器件耐壓值，或者某相電壓過(guò)低，負(fù)載無(wú)法正常工作，同時(shí)也不能進(jìn)行分相補(bǔ)償。

② 星型有中性線接法中晶閘管兩端電壓為相電壓，每相間互不影響，這種接線方式可以實(shí)現(xiàn)三相分補(bǔ)。由于有中線，當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的中線電流，流過(guò)晶閘管的電流較大，3次諧波電流會(huì)流過(guò)電容器。

③ 三角型外接法由于采用三相電抗器，相對(duì)于角內(nèi)接法體積更小，但是投切暫態(tài)過(guò)程長(zhǎng)，這種接法應(yīng)用于三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，可有效抑制3 倍次的諧波，但是該接線方式只能適合于三相共補(bǔ)，不能進(jìn)行分相補(bǔ)償。

④ 三角型內(nèi)接法中電容器和晶閘管一起構(gòu)成了三角型回路，這種接線方式流過(guò)晶閘管的電流較小。因?yàn)槭遣捎昧藛蜗嚯娍蛊?，三相?fù)載不平衡時(shí)分別投入該相電容電抗器組，所以能進(jìn)行不平衡負(fù)載的分相補(bǔ)償。

汽車工業(yè)采用的焊接設(shè)備不管是單相焊機(jī)還是三相焊機(jī)，都是使用三角型接法即跨接在相間接入電網(wǎng)，選用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償要和負(fù)載的接法相一致，也應(yīng)該使用三角型的接法即跨接在相間，根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)載無(wú)功需求進(jìn)行每相的補(bǔ)償，這樣從能量流動(dòng)和補(bǔ)償效果來(lái)講最為合理，也有利于諧波的抵消，而且補(bǔ)償前后均無(wú)中性點(diǎn)電流，電容器兩端電壓不會(huì)產(chǎn)生漂移，所以汽車焊接車間的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償應(yīng)該采用三角型接法。

汽車工業(yè)焊接設(shè)備絕大多數(shù)是用380V電源，由二相供電（L1-L2、L2-L3或L3-L1）,通常三相負(fù)載的平衡問(wèn)題在工廠供電設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮，把點(diǎn)焊機(jī)的供電布局接近平衡，避免因三相不平衡而出現(xiàn)零序電流，所以在這種情況下通常采用三相共補(bǔ)就可以了。參看歐美幾個(gè)大汽車公司的有關(guān)資料，點(diǎn)焊機(jī)的供電不平衡度為20%以下時(shí)，采用平衡三相共補(bǔ)無(wú)大礙，在不平衡度超過(guò)20%時(shí)，就應(yīng)該考慮選用不平衡分相補(bǔ)償。

在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮晶閘管的散熱設(shè)計(jì)，如果流過(guò)晶閘管電流較大、溫度較高，晶閘管容易燒壞，綜合以上的考慮應(yīng)該選擇能進(jìn)行分相補(bǔ)償、流過(guò)電流小的三角型內(nèi)接法。

如果采用星型接法的三相不平衡補(bǔ)償，補(bǔ)償電容器組分別連接在L1-N、L2-N、L3-N。首先由于電容器運(yùn)行電壓低，電容量為三角型接法的1/3，選取單只數(shù)量增多，導(dǎo)致安裝困難、安全性降低；負(fù)載點(diǎn)焊機(jī)分別連接的是L1-L2、L2-L3、L3-L1，由于補(bǔ)償時(shí)負(fù)載不平衡，極易造成中性點(diǎn)電位偏移，致使某相電壓升高、某相電壓降低，此時(shí)電容器的容量發(fā)生變化，補(bǔ)償精度受到影響，尤其在出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡時(shí)，電容器運(yùn)行極不安全，如出現(xiàn)某一相過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，將使零線電流太大導(dǎo)致保護(hù)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，影響配電系統(tǒng)的安全可靠性。

2、汽車焊接車間動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹笜?biāo)要求

2.1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，是補(bǔ)償裝置最重要的指標(biāo)之一，尤其在汽車工業(yè)的點(diǎn)焊機(jī)工況下，響應(yīng)時(shí)間的快慢直接影響到焊接質(zhì)量。補(bǔ)償裝置從網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、運(yùn)算（控制器部分）到觸發(fā)晶閘管模塊、直至投切全部電容器組，總的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該≤20ms。

如果是80ms~100ms每次只投切一步的響應(yīng)過(guò)程，不能起到穩(wěn)定電壓、消除閃變的作用，反而會(huì)加劇電壓波動(dòng)，導(dǎo)致焊接效果差并影響產(chǎn)品質(zhì)量。投入時(shí)——因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間的不夠，補(bǔ)償電容是逐步加入會(huì)造成欠補(bǔ)；切除時(shí)——因?yàn)殡娙萜髦鸩角谐龝?huì)造成過(guò)補(bǔ)，使得系統(tǒng)電壓的抬高、電流的抬升，加劇電壓的波動(dòng)和閃變。

使用于汽車工業(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，晶閘管閥一般采用2只晶閘管反并聯(lián)的方法，達(dá)到2只晶閘管輪流觸發(fā)的效果，起到了接通和斷開(kāi)補(bǔ)償回路的作用。這種反并聯(lián)的方式可靠性高，即使某相損壞1只晶閘管，也不會(huì)致電容器誤投入，晶閘管閥承受的最大反相電壓為電源電壓的峰值。這種方式在快速響應(yīng)方面有優(yōu)勢(shì)，電容器切除在半個(gè)周波內(nèi)即不大于10ms完成。

出于經(jīng)濟(jì)性和操控簡(jiǎn)便的考慮，也有采用1只晶閘管和1只二極管反并聯(lián)的接線方式構(gòu)成晶閘管閥。這種結(jié)構(gòu)可有效避免沖擊電流和過(guò)電壓對(duì)供電系統(tǒng)及設(shè)備的影響，晶閘管閥所承受的最大反向電壓為電源電壓峰值的2倍。由于反并聯(lián)二極管的不可控性，通常要經(jīng)過(guò)半個(gè)周波到一個(gè)周波才能徹底關(guān)斷將電容器切除，這種方式在響應(yīng)時(shí)間上有欠缺。

2.2 晶閘管過(guò)零投切和防止浪涌產(chǎn)生

為了防止和減小在電容器投入時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流（浪涌電流過(guò)大會(huì)影響電容器的壽命），電容器的投切暫態(tài)過(guò)程和串聯(lián)電抗器的選擇是很重要的。

晶閘管投切電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償要求具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)涌流沖擊的投切電容。電容器的投入是在晶閘管兩端電壓為零，即電網(wǎng)電壓與電容器預(yù)充電電壓相等的時(shí)刻，在投入過(guò)程中沒(méi)有沖擊電流和過(guò)電壓，電容器的投入是在晶閘管兩端電壓為零的瞬間完成。電容器的切除是在去掉觸發(fā)脈沖信號(hào)后，晶閘管在電流過(guò)零時(shí)完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切，不會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，不會(huì)對(duì)電容器及電子開(kāi)關(guān)等器件造成損傷，延長(zhǎng)了電容器、晶閘管模塊的使用壽命。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50227－2017<<并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范>> 用于抑制涌流和抑制諧波的電抗器，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，電抗率宜采用5%；當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜采用12%……因?yàn)橐坏┌l(fā)生諧振，諧振電流將達(dá)到數(shù)倍的電容器額定電流，足以損壞電容器，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)的崩潰。在常規(guī)的電容補(bǔ)償柜中沒(méi)有安裝解調(diào)電抗器，電容器的使用壽命短甚至發(fā)生爆裂與其都有一定的關(guān)系。

汽車焊接車間選用的大部分是單相焊機(jī)，會(huì)產(chǎn)生大量的3次諧波，應(yīng)該串聯(lián)12%~14%的電抗器防止3次諧波的放大，以防止電容器組與電網(wǎng)產(chǎn)生的3次諧波并聯(lián)諧振。

3  汽車焊接車間多變壓器多母線環(huán)的接法

現(xiàn)在汽車焊接車間多采用多個(gè)變壓器多個(gè)母線環(huán)的配電方式，在工程實(shí)踐中我們需要確定的是：

1. 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)奈恢?，在變壓器?cè)的集中補(bǔ)償還是在負(fù)載側(cè)的補(bǔ)償；
2. 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償CT的采樣點(diǎn)，是在變壓器下面還是從負(fù)載母線上；
3. 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量的確定，特別是汽車焊接的無(wú)功需求比較大。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬欠€(wěn)定電壓、消除閃變，汽車焊接車間尤其是如此，因此動(dòng)態(tài)補(bǔ)償最好的方式是對(duì)于負(fù)載進(jìn)行快速跟蹤，但是汽車焊接車間焊機(jī)的數(shù)量多、單臺(tái)容量都比較小，很難分成這么多小容量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并聯(lián)在每一個(gè)焊機(jī)側(cè)。因此一般工程案例都是在變壓器側(cè)進(jìn)行電流信號(hào)采集，CT的采樣點(diǎn)都是接在變壓器的出線柜，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)奈恢靡苍谧儔浩鞒鼍€柜的旁邊，圖2所示這個(gè)工廠是3變壓器3母線環(huán)。

圖2 焊接車間3變壓器3母線環(huán)的接線

也有工程案例采用在焊接母線環(huán)內(nèi)采集負(fù)載電流的方式，圖3所示這個(gè)工廠是3變壓器2母線環(huán)，在每個(gè)環(huán)中放了一套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，在每一個(gè)母線環(huán)中間割斷分別取兩組CT的電流信號(hào)，并通過(guò)一個(gè)合CT連接到控制器，在工程實(shí)踐中要求2個(gè)CT的采樣點(diǎn)盡量靠近環(huán)的電源側(cè)，以能夠采集到更多焊機(jī)的電流，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)奈恢靡部梢栽谲囬g平臺(tái)上。

圖3 焊接車間3變壓器2母線環(huán)的接線

汽車焊接車間的設(shè)備是短時(shí)工作制，安裝的全部焊機(jī)容量和瞬時(shí)工作的焊機(jī)容量之間也有一個(gè)百分比的關(guān)系，目前依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，點(diǎn)焊機(jī)選用的負(fù)荷需要系數(shù)是0.35，但是在不同的生產(chǎn)流水線、不同的同時(shí)焊接時(shí)間，焊機(jī)的沖擊電流是不一樣的，因此動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量的設(shè)計(jì)要考慮到生產(chǎn)線輸送方式的影響。

汽車焊接會(huì)導(dǎo)致很大的電壓波動(dòng)和跌落，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜萘坑趾碗妷撼善椒疥P(guān)系，比如電壓跌到0.9、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜萘烤偷搅?.81，考慮到電壓跌落的影響動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜萘吭O(shè)計(jì)要大一點(diǎn)，我們一般也會(huì)考慮到最大尖峰時(shí)刻的無(wú)功容量需求，再考慮到焊接無(wú)功需求一般是瞬間同時(shí)發(fā)生，電容器的分組也可不必追求過(guò)細(xì)。在本文也提供了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試案例，可以看到汽車焊接車間節(jié)拍工作制下對(duì)無(wú)功容量的需求。

有的汽車工廠隨著產(chǎn)量的提高，在原有的生產(chǎn)線上不斷增加焊接設(shè)備，希望通過(guò)提高變壓器的使用率和加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)提高帶負(fù)荷能力。我們的建議是應(yīng)該在焊接車間的工藝設(shè)計(jì)、特別是生產(chǎn)線的設(shè)備平衡進(jìn)行協(xié)調(diào)，如果有功電流的加大用變壓器的過(guò)載來(lái)解決、無(wú)功電流的加大用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)解決，變壓器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一直處于高負(fù)荷的使用狀態(tài)，設(shè)備有了故障或需要檢修，反過(guò)來(lái)會(huì)影響車間的生產(chǎn)。

汽車焊接車間因?yàn)槭嵌鄠€(gè)變壓器并聯(lián)、變壓器下的各個(gè)環(huán)都是連在一起的，根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)在某一個(gè)變壓器的環(huán)下加裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其電流也可以流到其他變壓器的環(huán)，未加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖儔浩鞯臏y(cè)試功率因數(shù)也有所抬高，這也提供了一個(gè)根據(jù)電流的流向來(lái)放置動(dòng)態(tài)補(bǔ)償柜的思路。

同時(shí)對(duì)于大容量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，按容量分為主柜、輔柜幾個(gè)柜子，應(yīng)該由一個(gè)控制器來(lái)控制。在一條母線上安裝幾套補(bǔ)償系統(tǒng)（每個(gè)柜子一個(gè)控制器）的話，會(huì)造成控制的不同步，導(dǎo)致實(shí)時(shí)補(bǔ)償精度的降低，甚至?xí)觿‰妷翰▌?dòng)。

4、汽車焊接車間動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч麥y(cè)試

2013年5月我們對(duì)某中外合資汽車公司的焊接車間進(jìn)行測(cè)試分析，他們的變壓器是1250kVA，由于不斷地加焊機(jī)負(fù)載，可以看到尖峰無(wú)功需求達(dá)到了1500kVar，現(xiàn)在選擇的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是1000kVar，可以看到1000kVar的補(bǔ)償容量還是有欠缺的，至少還要擴(kuò)容400kVar-500kVar。

圖4 

不投入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試，無(wú)功需求的尖峰值比較大

圖5 

使用正確的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，投入補(bǔ)償—切除補(bǔ)償—投入補(bǔ)償

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)看，采用本文所討論的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，穩(wěn)定電壓、消除閃變的效果是非常明顯的，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能夠明顯地降低無(wú)功電流、提高功率因數(shù)，進(jìn)而提高變壓器的帶負(fù)載的能力。從測(cè)試效果來(lái)看，因?yàn)楹髞?lái)增加的焊機(jī)數(shù)量比較多，無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘恳彩切枰M(jìn)一步加大。

5、結(jié)束語(yǔ)

汽車焊接車間的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償可以提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平，選用三角型內(nèi)接法的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行5-20ms投切全部電容器組，采用晶閘管過(guò)零投切和串聯(lián)合適的電抗器以減少浪涌電流，對(duì)于穩(wěn)定電壓、消除閃變、提高功率因數(shù)，提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量都是有很大的幫助。