王文紅

（天津一汽華利汽車有限公司 天津 300380）

在當(dāng)前社會(huì)中，節(jié)能一直是不變的話題，如何有效利用有限的資源，是我們大家應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的主題。作為汽車制造業(yè)中的裝焊車間，其負(fù)荷是以點(diǎn)焊機(jī)為主，這類焊機(jī)具有變化快、強(qiáng)沖擊、不對(duì)稱、諧波大的特點(diǎn)，在工作時(shí)給電力系統(tǒng)帶來大量的沖擊性無功功率，功率因數(shù)較低。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式采用對(duì)稱補(bǔ)償，即三相同時(shí)投切、同時(shí)補(bǔ)償，而焊接負(fù)荷每一相需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率不同，這樣勢(shì)必造成某一相補(bǔ)償量不足或者某一項(xiàng)過補(bǔ)償。另外傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式采用接觸器投切電容器，動(dòng)作緩慢，這就造成補(bǔ)償裝置投切不準(zhǔn)確。為了徹底的解決這些問題就需要一種采用分相補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)補(bǔ)償器。本文就結(jié)合動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在華利公司裝焊課生產(chǎn)線低壓電力系統(tǒng)改造的實(shí)際應(yīng)用情況來闡述這一點(diǎn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的組成及低壓供電系統(tǒng)存在的問題

1.1 現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的組成

天津一汽華利汽車有限公司焊裝課是從事車身骨架焊接的車間，所用變壓器為SCB10-2500/10（濟(jì)南志亨特種變壓器有限公司），容量2500KVA，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線設(shè)備使用銘牌記載總負(fù)載4997.6KW，其中設(shè)備主要是懸掛式點(diǎn)焊機(jī)、固定式點(diǎn)焊機(jī)、板試鏈輸送機(jī)、往復(fù)桿輸送機(jī)共計(jì)設(shè)備180臺(tái)，總功率4939.4KW，占總負(fù)載的98.84%，所以負(fù)載基本可以認(rèn)為是全感性負(fù)載。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷測(cè)量

測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：

(1)供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中低壓進(jìn)線總柜進(jìn)線電流波動(dòng)較大，最大時(shí)能達(dá)到5574A，大大的超過了進(jìn)線總柜斷路器長(zhǎng)延時(shí)過負(fù)荷跳閘所設(shè)定4000A，在運(yùn)行歷史上多次出現(xiàn)過過負(fù)荷跳閘的情況，影響了生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。

(2)功率因數(shù)較低且波動(dòng)很大。根據(jù)儀器測(cè)量，在實(shí)測(cè)時(shí)段中有功平均功率為590KW,無功平均功率為640KVar，最大無功功率為1988 KVar。實(shí)測(cè)平均功率因數(shù)只有0.63，而且波動(dòng)非常大（見圖片1），這主要是由點(diǎn)焊機(jī)等主要負(fù)載快速變化的工作特性所決定，功率因數(shù)最低時(shí)不足0.4，最高時(shí)有0.8。有功、無功、視在功率等也波動(dòng)非常大，并且三相負(fù)載嚴(yán)重不平衡。功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備利用率降低，增大線路功率損耗，降低電網(wǎng)輸電效率。

圖1 安裝前的功率因數(shù)

(3)電壓電流畸變較為嚴(yán)重。電壓上下波動(dòng)比較頻繁，最高425V,最低只有304V，電壓跌落值達(dá)121V左右；電流的畸變率平均32%以上，最高時(shí)達(dá)133%（見圖2）。電流的畸變率過大，諧波電流也隨之增大，造成過電流，對(duì)其他負(fù)載用電設(shè)備造成損壞，降低電氣設(shè)備使用壽命。由于點(diǎn)焊機(jī)工作靠瞬間產(chǎn)生熱量焊接加工產(chǎn)品，電壓跌落嚴(yán)重，相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)焊機(jī)所產(chǎn)生的能量也會(huì)隨之降低，這樣就可能會(huì)造成虛焊等問題，產(chǎn)品的質(zhì)量也就會(huì)隨之下降，次品率增大。

圖2 安裝前的電流電壓

(4)諧波危害。以點(diǎn)焊機(jī)為主的非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波，主要有3、5、7次諧波,其中3次諧波最高時(shí)達(dá)到44%左右（見圖3）。諧波的危害電力系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的，概括起來有以下幾個(gè)方面：（A）對(duì)供配電線路的危害。（B）對(duì)變壓器的危害。（C）對(duì)電力電纜的危害。D）對(duì)用電設(shè)備的危害。（E）影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性。（F）影響供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備。

圖3 安裝前的諧波

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查以及供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的分析結(jié)果，得出了需要安裝無功補(bǔ)償柜的結(jié)論。

2 現(xiàn)有的無功補(bǔ)償柜簡(jiǎn)介及優(yōu)缺點(diǎn)介紹

現(xiàn)在市場(chǎng)上無功補(bǔ)償柜主要有傳統(tǒng)式無功補(bǔ)償柜和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容柜這兩種，下面就其優(yōu)缺點(diǎn)做簡(jiǎn)單介紹：

2.1 傳統(tǒng)式電容器補(bǔ)償柜

傳統(tǒng)式電容補(bǔ)償柜多采用有觸點(diǎn)的交流接觸器來控制電容器的投切。其響應(yīng)速度慢，無法跟蹤負(fù)荷快速變化的無功電流，無法補(bǔ)償其無功功率，從而導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定閃爍及大電流的損耗、造成電源設(shè)備(如變壓器)容量的下降。傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償柜其共性的缺點(diǎn)可歸結(jié)如下：

1.響應(yīng)速度慢，約十幾秒，所以無法跟蹤快速變化的無功電流，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

2.三相電容器投切無法同步，且有抖動(dòng)，無法克服開關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng)。

3.無法控制投切時(shí)電流浪涌的沖擊，因其投切點(diǎn)是隨機(jī)的，可能在電流最大的時(shí)候投切，易造成電容器熱脹裂和燒壞開關(guān)觸頭以致降低電容器及開關(guān)元件的使用壽命。

4.無法識(shí)別快速變化的負(fù)荷。由于無法補(bǔ)償快速變化的無功電流，導(dǎo)致在大的時(shí)間間隔內(nèi)中斷了對(duì)無功功率的補(bǔ)償，造成電壓不穩(wěn)定、閃爍、大電流的損耗及功率的損失。

5.危及敏感的用電設(shè)備。在不穩(wěn)定的電壓源下，通信、交通、計(jì)算機(jī)中心、醫(yī)院中的精密電子設(shè)備不可能穩(wěn)定可靠的工作。

6.不能防止諧振和抑制諧波。

2.2 動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置

最新的動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償柜采用先進(jìn)的電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過電子電力開關(guān)實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的快速投切，從而獲得實(shí)時(shí)跟蹤、實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)荷變化的無功功率。它的設(shè)計(jì)是針對(duì)傳統(tǒng)的電容器柜所存在的缺點(diǎn)而進(jìn)行的創(chuàng)造性的革新，其突出的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.通過控制晶閘管實(shí)現(xiàn)各次濾波器組無觸點(diǎn)自動(dòng)投切，避免了傳統(tǒng)接觸器投切及晶閘管過零投切時(shí)產(chǎn)生的涌流、暫態(tài)沖擊，無需放電即可再投。延長(zhǎng)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的使用壽命。

2.不僅可以自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無功負(fù)荷變化，進(jìn)行快速無功補(bǔ)償，還可以濾除電力系統(tǒng)中的諧波電流，保證用戶功率因數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)，并且由于電容器與電抗器串聯(lián)，避免了諧波的放大問題。

3.濾波器組由控制器控制投切，提高了濾波器組的快速響應(yīng)能力，可根據(jù)配電系統(tǒng)的負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)頻繁的投切。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不超過20ms。

4.安裝有功能強(qiáng)大、易于調(diào)試的液晶顯示控制器，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)電壓、功率因數(shù)、投入系統(tǒng)濾波器的組數(shù)、補(bǔ)償電流等數(shù)據(jù)?？蓪?duì)功率因數(shù)、過壓值、失壓值、過流值、諧波畸變率值、投切延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行編程。有過壓、過流、欠流等報(bào)警功能。

5.根據(jù)三相平衡負(fù)荷和不對(duì)稱負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)三相或分相投切。

6.可以根據(jù)客戶系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)，濾波效果明顯。采用晶閘管投切電力濾波器這一新技術(shù)，為配電系統(tǒng)提供了一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提高功率因數(shù)、濾除諧波及穩(wěn)定電壓改善電能質(zhì)量、降損節(jié)能的新手段。

從兩種補(bǔ)償柜的性能對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)式的電容補(bǔ)償柜因?yàn)槭褂玫氖墙佑|器進(jìn)行投切，無法跟上裝焊課負(fù)荷的變化速度，并且浪涌沖擊較大，電容器的使用壽命也較短，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。而動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償柜的投切裝置更換為晶閘管后響應(yīng)速度、浪涌沖擊、電容器使用壽命等各方面都符合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求，故選定了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償柜進(jìn)行安裝。

3 安裝后的效果

3.1 供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到提高

設(shè)備安裝后，低壓進(jìn)線總柜的電流已經(jīng)由安裝前的最高5574A，下降到2298A。保證了供電系統(tǒng)即使在生產(chǎn)負(fù)荷最大時(shí)其電流也比進(jìn)線柜所設(shè)定的過負(fù)荷跳閘電流低，保證了供電的穩(wěn)定性。在安裝后的8個(gè)月之內(nèi)再無出現(xiàn)過負(fù)荷跳閘現(xiàn)象。

3.2 功率因素得到明顯提高并且波動(dòng)較為平穩(wěn)

實(shí)測(cè)時(shí)段有功平均功率為678KW,無功平均功率為27KVar。實(shí)測(cè)平均功率因數(shù)達(dá)到0.98，在圖4中，可以明顯看出無功功率降低，有功功率也有所降低，功率因數(shù)維持在1左右。而且功率因數(shù)的波動(dòng)沒有以前投切前頻繁和劇烈。雖然還有些波動(dòng)，這是由于電焊機(jī)在焊接過程中損耗的有功量的不同造成的。

圖4 安裝后的功率因數(shù)

3.3 電壓電流畸變的得到了控制

電壓的波動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，基本可以維持在375V到400V之間。而且波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，電壓基本沒有跌落。電流的畸變電流的畸變率已經(jīng)降到10%以內(nèi)，最高不超過15%。而且從圖5上可以看出電流相對(duì)降低，排除負(fù)載情況外，實(shí)際電流平均降低了將近300A。

圖5 安裝后的電流電壓

3.4 諧波得到了抑制

諧波抑制是最為明顯的部分，從圖6可以看出3次及以上諧波大部分已經(jīng)被抑制，總諧波含量都不到10%，也看不出絲毫有諧波放大的現(xiàn)象。說明無功補(bǔ)償裝置有效地抑制了諧波，使得諧波含量大幅減低。

圖6 安裝后的諧波

諧波抑制是最為明顯的部分，從圖6可以看出3次及以上諧波大部分已經(jīng)被抑制，總諧波含量都不到10%，也看不出絲毫有諧波放大的現(xiàn)象。說明無功補(bǔ)償裝置有效地抑制了諧波，使得諧波含量大幅減低。

4 節(jié)能效益

4.1 提高了車間功率因數(shù)，降低了無功消耗，減少了線路損耗

根據(jù)電力諧波分析儀在現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)可以看出

⑴動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入使用后，在點(diǎn)焊機(jī)使用過程中的功率因數(shù)得到了明顯的提高（平均值由0.63提高到0.98）。

⑵補(bǔ)償柜投入后電網(wǎng)消耗的無功功率由640KVar降低到27KVar。

⑶補(bǔ)償柜投入后系統(tǒng)電流由5574A左右下降到2298A，降低了線路的損耗。

4.2 節(jié)約電費(fèi)

根據(jù)相關(guān)資料顯示，每投入1Kvar的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可節(jié)約0.1至0.15KW有功功率。生產(chǎn)線所安裝的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置為1200Kvar，一年可節(jié)約電度為（按一年工作300天，每天工作18小時(shí)計(jì)算）：

1200Kvar×0.1KW/Kvar×18h×300＝648000度，折合電費(fèi)41.47萬元。

5 結(jié)語

受到電容投切裝置原理的影響傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償柜在焊裝車間中無法起到應(yīng)有的補(bǔ)償?shù)淖饔?，很多焊裝車間在設(shè)備規(guī)劃中都沒有設(shè)計(jì)安裝，即使有安裝的也因?yàn)閾p壞頻率很高基本也都處于癱瘓狀態(tài)。而動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償柜可以很好的解決這些問題，通過在焊裝課生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用，可以看出投切裝置更換為晶閘管后，各方面都能很好的滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求，這為提高汽車工廠焊裝工藝車間功率因數(shù)的提高提供了有效的手段。