韓瑞東，王勝斌，牛 明

(1.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000;2.哈爾濱特通電氣有限公司，哈爾濱 150069;2.哈爾濱特通電氣有限公司，哈爾濱 150069)

眾所周知，現(xiàn)在很多的制造型企業(yè)都存在相當(dāng)數(shù)量的大功率點(diǎn)焊機(jī)，該負(fù)荷的特點(diǎn)是:速度快、沖擊大、持續(xù)時(shí)間短、功率因數(shù)低、含有大量的無功功率及少量的諧波，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。因此點(diǎn)焊機(jī)的電能質(zhì)量問題成為現(xiàn)在電力系統(tǒng)中亟待解決的問題之一。

1 使用點(diǎn)焊機(jī)企業(yè)的負(fù)荷特點(diǎn)

(1)點(diǎn)焊機(jī)動(dòng)作速度極快，焊接持續(xù)時(shí)間為幾百毫秒，焊接間隔為幾秒，焊接的頻率大。

(2)點(diǎn)焊機(jī)在焊接過程中焊接電流非常大，根據(jù)焊接材料的不同，焊接電流瞬間可以從零安培達(dá)到幾千安培，因此，對電網(wǎng)和其他設(shè)備的沖擊都非常大。

(3)點(diǎn)焊機(jī)的焊接過程中產(chǎn)生大量的無功功率，因此其功率因數(shù)偏低，無功功率巨大。累積起來平均功率因數(shù)偏低，會(huì)產(chǎn)生較高的力率電費(fèi)。

2 點(diǎn)焊機(jī)無功補(bǔ)償?shù)姆椒?/h2>

點(diǎn)焊機(jī)由于其自身動(dòng)作速度極快、沖擊電流大和無功功率大等特點(diǎn)，要求補(bǔ)償設(shè)備能夠適應(yīng)其特點(diǎn)達(dá)到良好的補(bǔ)償效果，下面是普通補(bǔ)償設(shè)備無法滿足補(bǔ)償要求的幾點(diǎn)主要原因。

(1)控制器跟蹤速度慢。

普通的補(bǔ)償設(shè)備控制器動(dòng)作的速度慢，無法跟蹤點(diǎn)焊機(jī)這種動(dòng)作速度快、持續(xù)時(shí)間短的負(fù)荷(點(diǎn)焊機(jī)焊接持續(xù)時(shí)間為150 ms～200 ms，焊接間隔為1.5 s～2 s)。響應(yīng)速度趕不上負(fù)載的變化，系統(tǒng)功率因數(shù)總是處于欠補(bǔ)償或處于過補(bǔ)償狀態(tài)。

(2)投切開關(guān)速度慢、涌流大。

普通補(bǔ)償裝置使用的交流接觸器，使用交流接觸器響應(yīng)速度慢，交流接觸器的響應(yīng)速度基本在100 ms。并對電容器投切會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌和脈沖過電壓，導(dǎo)致絕緣擊穿或接觸器觸頭燒損，造成接觸器損壞。

(3)單組容量小。

普通補(bǔ)償裝置使用的交流接觸器，由于其通流能力的限制，每一組的補(bǔ)償容量都很小，基本在60 kvar以下，無法達(dá)到補(bǔ)償效果。如果分組投入，由于焊接持續(xù)時(shí)間過短，所有的補(bǔ)償容量沒有全部投入，焊接過程就已經(jīng)結(jié)束了。

根據(jù)點(diǎn)焊機(jī)的負(fù)荷特性，采用快速TSC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方案，既解決接觸器投切速度慢、單組容量小的問題，又能夠解決有源電力濾波器容量大、設(shè)備投資高的問題。屬于性價(jià)比最高的補(bǔ)償方式，TSC補(bǔ)償設(shè)備的主要特點(diǎn)見表1。

表1 TSC補(bǔ)償設(shè)備的特點(diǎn)

根據(jù)多年的補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)，在TSC補(bǔ)償設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)點(diǎn)焊機(jī)負(fù)荷的自身特點(diǎn)提出了獨(dú)特的解決方案。具體措施如下:

設(shè)備自投產(chǎn)以來，一直在穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)目前了解的情況，未發(fā)現(xiàn)國外有同類產(chǎn)品；在國內(nèi)，只有我廠一車間有類似的產(chǎn)品。兩相比較，此次研制的銀陽極澆鑄機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，性能更優(yōu)異，主要體現(xiàn)在：回轉(zhuǎn)盤只需在原地回轉(zhuǎn)，不需移動(dòng)和升降，其它動(dòng)作機(jī)構(gòu)疊加在一起，顯得更加協(xié)調(diào)和緊湊；澆鑄過程更平穩(wěn)，升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，對澆鑄非常有利。工業(yè)無線控制遙控器防護(hù)等級IP65，信號(hào)穩(wěn)定，在澆鑄過程中可以更加便捷地進(jìn)行操作。

(1)控制器的跟蹤補(bǔ)償?shù)乃俣瓤臁?/p>

通常的交流有效值計(jì)算是在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成的，除去數(shù)據(jù)傳輸中的耗時(shí)，至少也有20 ms延時(shí)，單單在檢測這個(gè)環(huán)節(jié)就需要20 ms，這是不能滿足點(diǎn)焊機(jī)(焊接時(shí)間為200 ms左右)補(bǔ)償?shù)目焖傩砸蟮?。我公司依?jù)系統(tǒng)的特征，實(shí)時(shí)的去檢測物理量，摒棄傳統(tǒng)檢測的周期概念，采用改進(jìn)的檢測方法，從而提高了檢測處理的快速性和連續(xù)性。補(bǔ)償裝置從電網(wǎng)檢測、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算直至投切電容器組實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，總的響應(yīng)時(shí)間≤20 ms。

(2)單步補(bǔ)償一步到位。

由于點(diǎn)焊機(jī)的焊接無功電流一般達(dá)到上千安培，因此，補(bǔ)償裝置的單步的補(bǔ)償容量要求很大可以達(dá)到幾百千伏，為了滿足通態(tài)電流的要求，采用多組投切開關(guān)并聯(lián)的方式，提高TSC補(bǔ)償裝置的單步補(bǔ)償容量。

(3)電容器的放電速度快。

由于TSC采用的是過零投切電容器組，因此，快速檢測過零就是裝置動(dòng)作快速性的又一個(gè)硬性指標(biāo)，點(diǎn)焊機(jī)兩次焊接之間的的工作間隔只有2 S左右，因此，選用精確計(jì)算的放電方式，通過計(jì)算確保在1 S內(nèi)將電容器的電壓降到電網(wǎng)的峰值以下，確保投切開關(guān)能夠在2S內(nèi)檢測到過零電壓使其符合投切條件。

3 TSC在點(diǎn)焊機(jī)場合中的應(yīng)用

3.1 某點(diǎn)焊機(jī)應(yīng)用企業(yè)的實(shí)際負(fù)荷情況

某電站設(shè)備有限公司是制造各種電站鍋爐和工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)廠。因此，用到大量的焊接設(shè)備該廠包括大功率點(diǎn)焊機(jī)、吊車、空壓機(jī)、以及可移動(dòng)的氬弧焊機(jī)和氣保焊機(jī)等負(fù)荷。這些負(fù)荷的特點(diǎn)是:變化速度快、沖擊大、持續(xù)時(shí)間短、功率因數(shù)低、三相不平衡、含有大量的無功功率及少量的諧波。以某電站設(shè)備有限公司焊接車間內(nèi)1#變壓器，2#變壓器為例，通過測量變壓器出口的電壓以及電流來確定補(bǔ)償方案。

(1)三相點(diǎn)焊機(jī)工作數(shù)據(jù)測試情況。

表2 1#變壓器及其負(fù)荷情況表

圖1 1#變壓器點(diǎn)焊機(jī)工作過程的電壓(CH1)和電流(CH2)波形

如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，在焊接同一型號(hào)鋼管時(shí)，其負(fù)荷的變化規(guī)律基本一致。穩(wěn)定基礎(chǔ)電流大約為360 A;焊接時(shí)電流大約為920 A，持續(xù)時(shí)間大約在150 ms左右，工作間隔2 s。

通過現(xiàn)場對800 kVA(1#變壓器)的測試，無論在焊接時(shí)，停焊階段其負(fù)荷的功率因數(shù)基本穩(wěn)定在0.7左右。系統(tǒng)中諧波的含量并不高，2%左右，同時(shí)5次諧波的含量也很小。

(2)單相點(diǎn)焊機(jī)工作數(shù)據(jù)測試情況。

圖2 1#變壓器點(diǎn)焊機(jī)連續(xù)工作的電流波形

2#變壓器及其負(fù)荷情況表見表3。

表3 2#變壓器及其負(fù)荷情況表

圖3 2#變壓器點(diǎn)焊機(jī)工作過程的電壓(CH1)和電流(CH2)波形

2#變壓器接了一個(gè)掛在AC上的單相點(diǎn)焊機(jī)，圖3可以反映點(diǎn)焊機(jī)工作的電流分布。與1#變壓器帶的點(diǎn)焊機(jī)工作的狀態(tài)基本一致，由圖4可以看出，在焊接同一型號(hào)鋼管時(shí)，其負(fù)荷的變化規(guī)律基本一致。穩(wěn)定電流大約為280 A(三相);焊接電流大約為1690 A(單相)，持續(xù)時(shí)間大約在200 ms左右，工作間隔2s。

圖4 2#變壓器點(diǎn)焊機(jī)連續(xù)工作的電流波形

通過測試，無論在焊接時(shí)，還是停焊階段其負(fù)荷的功率因數(shù)基本穩(wěn)定在0.54左右。系統(tǒng)中電壓諧波畸變率在2%左右，同時(shí)5次諧波的含量也很小，因此，可以選用6%的電抗器就可以達(dá)到抑制和治理諧波的目的。

由于焊機(jī)為單相焊機(jī)，因此負(fù)荷為嚴(yán)重的三相不平衡負(fù)荷，必須對不平衡負(fù)荷進(jìn)行分相補(bǔ)償，以提高整體的功率因數(shù)，并穩(wěn)定三相不平衡的電壓值。

3.2 針對于該企業(yè)的TSC補(bǔ)償方案

通過對以上測試數(shù)據(jù)的分析分別對1#、2#變壓器采用TSC補(bǔ)償方案。

(1)1#變壓器點(diǎn)焊機(jī)補(bǔ)償方案如下:

由于點(diǎn)焊是斷續(xù)過程，因此按照基礎(chǔ)和快速分開控制的模式進(jìn)行補(bǔ)償，其安裝容量為345 kvar，穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷的安裝容量為165 kvar;點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷的安裝容量為180 kvar的雙柜，用以滿足月平均功率因數(shù)的要求。見表4。

表4 補(bǔ)償容量估算

采用點(diǎn)焊快速負(fù)荷與穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷分開補(bǔ)償，并且采用雙控制模式，點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷采用快速補(bǔ)償控制模式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷采用常速補(bǔ)償控制模式。點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷采用大容量單組三相共補(bǔ)的補(bǔ)償方式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷采用分級三相共補(bǔ)的補(bǔ)償方式。

(2)2#變壓器點(diǎn)焊機(jī)補(bǔ)償方案如下:

這個(gè)變壓器所帶的負(fù)荷是AC相的單相焊機(jī)負(fù)荷，并且由于點(diǎn)焊是斷續(xù)過程，因此，按照基礎(chǔ)和快速單相分開控制的模式進(jìn)行補(bǔ)償，其安裝容量為435 kvar，穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷的安裝容量為165 kvar;單相點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷的安裝容量為270 kvar的雙柜，用以滿足月平均功率因數(shù)的要求見表5。

表5 補(bǔ)償容量估算

采用點(diǎn)焊快速負(fù)荷與穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷分開補(bǔ)償，并且采用雙控制模式，點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷采用快速補(bǔ)償控制模式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷采用常速補(bǔ)償控制模式。點(diǎn)焊機(jī)快速負(fù)荷采用大容量單組單相分補(bǔ)的就地補(bǔ)償方式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷采用分級三相共補(bǔ)的補(bǔ)償方式。

3.3 TSC補(bǔ)償方案的效果

通過對某電站設(shè)備有限公司的焊接車間功率因數(shù)的前后對比(補(bǔ)償前的平均功率因數(shù)基本在0.77左右，補(bǔ)償后功率因數(shù)基本在0.95左右)，可以看出我公司設(shè)計(jì)制造的TSC無功補(bǔ)償裝置完全能夠滿足點(diǎn)焊機(jī)無功補(bǔ)償?shù)目焖傩院痛笕萘康奶攸c(diǎn)，補(bǔ)償后的功率因數(shù)完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，在有的生產(chǎn)繁忙月份還會(huì)出現(xiàn)力率電費(fèi)的獎(jiǎng)勵(lì)。如圖5和圖6所示。

圖5 補(bǔ)償前功率因數(shù)的變化曲線

圖6 補(bǔ)償后功率因數(shù)的變化曲線

4 結(jié)束語

在制造業(yè)飛速發(fā)展的現(xiàn)在，隨著電能質(zhì)量問題在點(diǎn)焊機(jī)行業(yè)中凸顯，嚴(yán)重影響了該行業(yè)的發(fā)展，因此采用更加科學(xué)可靠的電能治理方案是現(xiàn)在亟待解決的問題，特別是在有點(diǎn)焊機(jī)存在機(jī)械制造行業(yè)相對集中的地區(qū)尤為重要，相信在不遠(yuǎn)的將來，TSC補(bǔ)償技術(shù)能夠廣泛的應(yīng)用在該補(bǔ)償領(lǐng)域，并且更加安全高效的補(bǔ)償方案會(huì)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，為工業(yè)的發(fā)展提供更高效安全的電能治理方案。

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