汽車(chē)制造行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

關(guān)鍵詞：汽車(chē)制造行業(yè)；非線(xiàn)性負載；電能質(zhì)量監測與治理；系統解決方案；

??電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標，涉及發(fā)、供、用各方面的權益。隨著(zhù)科技的進(jìn)步與發(fā)展，沖擊性、非線(xiàn)性的負載越來(lái)越多，尤其是電力電子器件的應用，使得諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題尤為嚴重。汽車(chē)行業(yè)的電能質(zhì)量問(wèn)題，主要體現在汽車(chē)制造業(yè)中，而在汽車(chē)制造業(yè)中，主要體現在沖壓、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)，對電能質(zhì)量的要求相對較高。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)工藝的正常運作。因此，治理諧波，提高電能質(zhì)量，營(yíng)造安全、穩定、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。

??汽車(chē)制造行業(yè)供配電系統中的諧波源主要可分為沖壓設備、焊接設備、涂裝設備以及總裝設備四大類(lèi)，具有畸變率高、功率因數低、種類(lèi)雜、數量多等特點(diǎn)。

1.1沖壓設備 

1.1.1沖壓設備的用電現狀

??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，其中大量使用數控沖床、等離子切割機床、多工位沖壓機床等大型設備。這些設備普遍采用直流電動(dòng)機，是典型的諧波源及沖擊性負荷，產(chǎn)生的諧波不僅造成母線(xiàn)電壓波動(dòng)，使設備無(wú)法運行，還會(huì )使系統功率因數降低，電壓、電流波形嚴重畸變，增加系統的無(wú)功功率損耗，影響整個(gè)供電系統。主要是沖擊性負載，會(huì )引起功率因數很低，造成系統電壓會(huì )偏低的情況，同時(shí)會(huì )伴隨一些諧波，諧波電流約占設備全部開(kāi)啟后系統電流30%，諧波電壓會(huì )隨著(zhù)系統負載的不同在7%-10%變動(dòng)狀況，但是主要還是5、7次諧波。

1.1.2對制造工藝的危害

??諧波導致過(guò)壓、過(guò)流、欠壓等電能質(zhì)量問(wèn)題，會(huì )使沖壓設備因過(guò)壓、過(guò)流而出現過(guò)負荷的沖壓，或因欠壓而導致壓力不夠、沖壓不到位，出現產(chǎn)品報廢等現象。諧波使系統損耗增加，增加系統的發(fā)熱量和噪聲污染。長(cháng)時(shí)間工作在不良電能環(huán)境中，會(huì )降低設備壽命，損壞電容補償裝置。沖擊性負荷會(huì )使供電系統不穩定，造成嚴重的電壓閃變、瞬時(shí)電壓降低等現象，使某些設備停止運行。

1.2焊接設備 

1.2.1焊接設備的用電現狀

??汽車(chē)焊接主要用于車(chē)身的制造，有點(diǎn)焊、凸焊、二氧化碳保護焊和氬弧焊等多種方式（目前大量使用焊接機器人）。對于帶涂層的鋼板、涂膠的鋼板、多層板及不同材質(zhì)板等條件下的焊接，傳統的工頻點(diǎn)焊機難以滿(mǎn)足焊接要求，中頻點(diǎn)焊機在越來(lái)越多的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)得到應用。中頻點(diǎn)焊機工作原理：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。焊機工作中頻點(diǎn)焊時(shí)，焊接參數大概為預壓時(shí)間400ms～800ms，焊接時(shí)間200ms～450ms，焊接電流高達5～10kA，焊接脈沖數為1～20次，保持時(shí)間100ms～300ms。中頻點(diǎn)焊機工作頻繁，工作周期短，電流變換頻率高，主要表現為瞬時(shí)突變電流，功率因數低、無(wú)功和電壓波動(dòng)較大、諧波電流和電壓較大、三相電壓不平衡嚴重等。

 

1.2.2對制造工藝的危害

??點(diǎn)焊機是典型的單相沖擊性負載，也是典型的諧波源。因為焊機是兩相短路原理，會(huì )造成嚴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，功率因數會(huì )很低，甚至會(huì )造成系統電壓偏低的情況，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，估計會(huì )達到20%以上。諧波電流使得系統的電壓電流發(fā)生畸變，出現過(guò)壓、欠壓、過(guò)流，甚至引起保護裝置誤動(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，導致產(chǎn)品不合格。另外，諧波電流使設備無(wú)法正常運行，導致中性線(xiàn)電流增大、中性線(xiàn)電纜的肌膚效應相應增大，降低電纜使用壽命，嚴重時(shí)會(huì )燒毀電纜，威脅整個(gè)系統的電能質(zhì)量。

1.3涂裝設備

1.3.1涂裝設備的用電現狀

??涂裝工藝主要是通過(guò)機械手對焊接成形的車(chē)身及零部件進(jìn)行噴涂和烘烤，一般會(huì )涉及到電泳設備，類(lèi)似電鍍。涂裝工藝的主要負載是電力電子器件和大容量的加熱設備，這些設備應用整流及變頻原理制造，在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生諧波，而加熱設備則使用電阻較大的器件。涂裝車(chē)間的電能質(zhì)量表現為感性無(wú)功較大、整體功率因數低、諧波電流大而復雜，系統母線(xiàn)端電壓降低嚴重，設備發(fā)熱量大以及利用率低。電流畸變率在10%-25%之間，以５次、７次諧波為主、包括一些偶次及高次諧波的特征

1.3.2對制造工藝的危害

??諧波會(huì )使涂裝車(chē)間的設備損耗增加，使主變的鐵損、銅損、介質(zhì)損耗、電壓峰值增加，變壓器噪聲變大，變壓器的負載能力減小。諧波會(huì )使涂裝、噴漆、運送等設備出現誤動(dòng)，導致噴漆不均勻，運送不到位，在涂裝表面出現氣泡、漏涂、打磨不到位、重復涂裝等缺陷，嚴重影響產(chǎn)品的涂裝質(zhì)量。由于系統無(wú)功消耗增加，母線(xiàn)電壓下降，電壓發(fā)生偏差，而加熱設備會(huì )因電壓過(guò)低，在規定的時(shí)間內達不到烘烤汽車(chē)表面涂層溫度標準，出現烘烤質(zhì)量問(wèn)題。

1.4總裝工藝

1.4.1總裝設備的用電現狀

??總裝工藝是把各零部件安裝到焊接好并經(jīng)過(guò)涂裝后的車(chē)身上，總裝工藝過(guò)程主要是利用機器人代替人工進(jìn)行自動(dòng)組裝，其程序控制是利用二極管、三極管、 放大電路、整流橋、開(kāi)關(guān)電源等電子元件，這些器件單個(gè)產(chǎn)生的諧波雖小，但大量集成使用會(huì )對供電系統造成嚴重影響，產(chǎn)生大量諧波，主要是13次以下的諧波，以5、7次諧波為主，其中5次諧波最為嚴重。因此，這些設備對電能質(zhì)量的要求很高。

1.4.2對制造工藝的危害

??諧波會(huì )使電流電壓畸變，使得處于過(guò)零運行的PLC、單片機等器件因電壓異常而引發(fā)誤動(dòng)，導致過(guò)早或延遲過(guò)零，影響到整體的指令控制。電壓畸變還會(huì )影響電力電子器件的動(dòng)作及精度，造成機械手誤動(dòng)。諧波還會(huì )損害電容器，使主控制板溫度增加，降低電子元件的使用壽命。

1.5諧波的其他危害

??諧波除了影響電容器正常運行之外，還會(huì )對以下設備造成危害：

??(1)對變壓器的影響

??諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及奇倍數諧波，對三角形連接的變壓器會(huì )在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點(diǎn)接地，而該側電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成諧振，使變壓器附加損耗增加。

??(2)對配電線(xiàn)路的影響

??線(xiàn)路阻抗隨著(zhù)頻率的升高而增加，諧波電流使線(xiàn)路的附加損耗增加，而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線(xiàn)路的損耗，所以諧波是導致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個(gè)重要因素。線(xiàn)路的分布電感和對地電容與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路，在一定的參數條件下，會(huì )發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，而且所產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓和過(guò)電流對相關(guān)設備的危害性較大。在適當的條件下還會(huì )形成諧波放大。而諧波電壓、電流放大會(huì )引起繼電保護裝置誤動(dòng)甚至損壞。

??(3)對電機裝置的影響

??柴油發(fā)電機的內阻跟市電相比大了很多，非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的諧波的電流引起的電壓畸變就大很多，造成油機輸出電壓嚴重失真?？赡茉斐捎蜋C的控制系統故障，引起用電事故?，F在的通信機房停電時(shí)一般都由油機提供備電，因此要重視這個(gè)問(wèn)題。

??(4)影響繼電保護和自動(dòng)裝置的正確性，諧波影響以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動(dòng)裝置，因為按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈度高。如果在負序基礎上再疊加諧波干擾(電氣化鐵道、電弧爐等)則可能引起發(fā)電機負序電流保護誤動(dòng)跳閘，產(chǎn)生嚴重后果。系統中不明原因的誤動(dòng)和拒動(dòng)，與諧波不無(wú)關(guān)系。諧波超標，會(huì )嚴重威脅配電系統的安全穩定運行。

??（5）影響計量裝置的準確性

??電能計量裝置按50Hz標準的正弦波設計，供電電壓或負荷電流中的諧波成分會(huì )影響感應式電能表（尤其是電子式電能表）的正常工作。有諧波源存在時(shí)，該處用戶(hù)的電能表的記錄應為其吸收的基波電能減去小部分諧波電能，故諧波能使電能計量裝置產(chǎn)生誤差。

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)設備對電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高。工藝設備中由于采用變頻技術(shù)使得非線(xiàn)性負荷數量增長(cháng)，非線(xiàn)性負荷會(huì )產(chǎn)大量的諧波注入電網(wǎng)嚴重影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量；同時(shí)生產(chǎn)設備中沖擊性負荷的存在，使得瞬時(shí)從電力系統吸收大量的沖擊性無(wú)功功率。應用有效的電能質(zhì)量的調控設備，在現有網(wǎng)架結構的基礎上，提高輸電容量和質(zhì)量成為當前迫切需要解決的問(wèn)題。采用快速、靈活，實(shí)時(shí)監測、動(dòng)態(tài)補償無(wú)功功率和有源濾波裝置，對保證供電能質(zhì)量，建設綠色電網(wǎng)，降低網(wǎng)損具有重大意義；也對工業(yè)企業(yè)減少不必要的浪費，降低成本，提高生產(chǎn)率，促進(jìn)企業(yè)和整個(gè)國民經(jīng)濟的發(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)前景好，各地建廠(chǎng)或擴建；

??（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）負載多樣化，沖壓機為沖擊性負載，需進(jìn)行補償。中頻焊機、變頻器是主要諧波源，需進(jìn)行諧波治理。

3.1解決方案

??安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(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、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、功率因數偏低、三相不平衡嚴重等問(wèn)題。那么我們可以根據車(chē)間情況進(jìn)行分析治理方案。

??沖壓車(chē)間：主要是沖擊性負載，會(huì )導致功率因數偏低問(wèn)題，從而造成系統電壓偏低的情況。沖擊負載運行過(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)功補償裝置進(jìn)行快速的補償無(wú)功，同時(shí)補償裝置在滿(mǎn)足裕量充足的情況下可以用來(lái)補償2~13次諧波。

??焊接車(chē)間：主要是中頻焊機，焊機是兩相短路原理，會(huì )造成嚴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，導致功率因數偏低，甚至會(huì )造成系統電壓偏低的情況，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，估計會(huì )達到20%以上（國標要求不超過(guò)5%）。因此可通過(guò)安裝有源無(wú)功補償裝置補償無(wú)功、治理三相不平衡；另外需單獨安裝有源諧波治理裝置來(lái)治理諧波。

涂裝和總裝車(chē)間：負載主要整流變頻設備，變頻設備一般為容性負載，本身功率因數較高，但運行過(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。

3.2方案特點(diǎn)

??（1）電能質(zhì)量監測與治理系統除作為本地終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-EV汽車(chē)制造綜合能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)；

??（2）全控技術(shù)實(shí)現電能質(zhì)量；

??（3）專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

??（4）電能質(zhì)量監測與治理裝置整體設計，通過(guò)上位平臺實(shí)現統一管理和閉環(huán)控制；

??（5）高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過(guò)關(guān)、質(zhì)量過(guò)硬，具備網(wǎng)絡(luò )化、可調控、快速響應的性能；

??（6）電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)量數據共享融通，為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。

3.3方案價(jià)值

??（1）全面監測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對汽車(chē)生產(chǎn)制造的供配電回路的電氣參數進(jìn)行全面監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數據信息，支持開(kāi)展故障追蹤與問(wèn)題定位。

??（2）完整電能質(zhì)量治理

通過(guò)集中+就地整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿(mǎn)足無(wú)功和諧波治理的要求，提高整個(gè)汽車(chē)制造供配電系統的電能質(zhì)量，減少對其它供電及制造設備造成危害。

??（3）數據應用及增值服務(wù)

系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優(yōu)化和節能降耗提供指導。

4.1集中治理

??針對汽車(chē)制造行業(yè)配電系統中涉及到的空調、風(fēng)機、電動(dòng)機、水泵等電器設備及數量較多的計算機等網(wǎng)絡(luò )通信設備，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害，同時(shí)確保無(wú)功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。

表1電能質(zhì)量監測及集中治理產(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，包含了行車(chē)、液壓機床、弧焊機、升降平臺、同步舉升機等各種設備，運行過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生對整個(gè)配電系統有影響的諧波，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)吊扇等設備，此類(lèi)設備的諧波電流通常以3次諧波為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度也是一致的。因此N線(xiàn)會(huì )進(jìn)行疊加，致使N線(xiàn)的電流過(guò)大。針對上述負載情況，建議在各個(gè)重要設備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設備進(jìn)行就地治理，以達到終端治理諧波的目的，避免影響到整個(gè)配電系統的和其他的用電設備，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

 

5.1項目背景

??南京某汽車(chē)制造商車(chē)間設備近年來(lái)受諧波影響，尤其沖壓和焊接設備大量使用，導致廠(chǎng)區電能質(zhì)量較差，變壓器及線(xiàn)纜的損耗增加，現場(chǎng)有個(gè)別無(wú)功柜內電容器鼓包損壞，無(wú)功需量增加，導致功率因數過(guò)低，同時(shí)其它電氣設備的老化程度明顯損耗逐漸上升，出現各種電氣故障。分別對廠(chǎng)區1#室內配電房以及2#戶(hù)外箱進(jìn)行數據測試，并根據具體測量數據給出相應的治理方案。

5.2測量結果

測量數據

??由上述測量數據可看出，1#室內配電房和2#戶(hù)外箱無(wú)功功率因數分別為0.7和0.78，低于國家要求的0.9的標準。1#室內配電房所在的供配電系統中5次、7次和11次諧波電流值遠遠超過(guò)了國家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統各次諧波及諧波電流值標準，現場(chǎng)負載設備主要為電動(dòng)機、變頻器、沖壓設備、焊接設備、涂裝設備以及總裝設備等，可通過(guò)在配電房集中治理，消除諧波電壓/電流對整個(gè)供配電系統、變壓器、無(wú)功柜和其它用電設備的影響；為了消除末端設備（例如電焊機、點(diǎn)焊機和沖壓機等工業(yè)負載）產(chǎn)生的諧波影響及危害，可采用有針對性的就地治理解決方案，以至于達到準確治理的效果。

5.3解決方案

??由于系統中無(wú)功柜均為傳統無(wú)源無(wú)功補償電容器件，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：建議配電房更換無(wú)功柜，由于傳統無(wú)源電容裝置在負載電流快速變化時(shí)和電網(wǎng)電壓、電流畸變率高時(shí)無(wú)法及時(shí)響應，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)功補償裝置進(jìn)行無(wú)功補償，該裝置具備無(wú)極性補償、毫秒級全響應時(shí)間及適合在負載快速變化場(chǎng)合的特點(diǎn)，同時(shí)是由IGBT構成的有源型補償裝置，不會(huì )諧振。另外增加AnSin-GⅠ型有源諧波治理系統裝置進(jìn)行集中諧波治理，減少諧波對電網(wǎng)、變壓器及供配電系統的危害，改善供電系統電壓和電流穩定性，提升系統的整體運行效率。

??方案二：就地治理：建議在樓層配電間或電焊機、點(diǎn)焊機和沖壓機等工業(yè)負載（負載變比快、畸變率較高）末端加裝AnSinⅠ型有源諧波治理裝置，可對2-31次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償，達到終端治理諧波的目的。

??目前汽車(chē)制造行業(yè)中的設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(xiàn)性制造設備負荷的種類(lèi)和數量大幅度增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和制造設備帶來(lái)巨大危害。但車(chē)間的供配電系統諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視，諧波造成的變壓器內損和異常發(fā)熱、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。通過(guò)對汽車(chē)制造車(chē)間供配電系統電能質(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測與治理的系統解決方案，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。