汽车工业焊装工艺负荷的供配电设计

董昕鹏, 李云鹏(.北京市工业设计研究院, 北京 000;.吉安集团有限公司, 浙江 嘉兴 34304)

汽车工业焊装工艺负荷的供配电设计

董昕鹏1, 李云鹏2
(1.北京市工业设计研究院, 北京 100021;2.吉安集团有限公司, 浙江 嘉兴 314304)

分析了汽车工业焊装车间工艺负荷的特点,介绍了中频逆变焊机对供配电系统的影响,详细阐述了汽车工业焊装车间的工艺供配电设计措施,包括变配电站的选址与配置、无功功率补偿与消谐、有源滤波等,并说明了现阶段焊装设计中的易发问题与解决办法,以供焊装类车间电气设计参考。

焊装车间; 焊机; 变配电所; 无功补偿; 有源滤波

0 引 言

在汽车制造业中,焊装是四大工艺之一,也是四大核心技术之一。焊接质量的好坏直接影响车身的质量。压力、时间、熔融量(吸热量)是确保焊接加工质量的三要素。其中压力、时间往往为设定好的固定值,而熔融量与熔融速度成正相关关系。由于焊接电流会引起熔融速度的变化,电弧长度又与电压相关,因此焊装车间的供配电设计受到业主方高度重视,期望获得较好质量的电能供给,以满足生产需求。

本文以某品牌汽车零部件焊装车间为例,介绍汽车工业焊装车间主工艺负荷的供配电设计。

1 工程概况

该企业位于北京南部经济开发区,系合资企业,其中焊装车间建筑面积约为2.5万m2,建筑高度为12.8 m。焊装车间由生产区和辅助区组成,生产区工艺布置分为南区和北区,辅助区由办公用房及其他辅助用房组成。

该车间的供配电系统由变配电所(含所内设备)、供配电线路、现场配电箱(柜)等组成。

2 工艺负荷分布及负荷特点

车间工艺负荷为主工艺负荷及辅助工艺负荷。本文重点介绍主工艺负荷的分布及特点。

2.1 主工艺负荷分布

该车间南北长约为122 m,东西宽约为169 m,生产区为单层,辅助区为2层。其中辅助区(办公及实验室等)位于车间南侧,辅助工艺用房位于车间北侧。

主工艺设备共为两条生产作业线,分别位于车间生产区的南部与北部。

两条作业线的设备配置相同,设有NIMAK三相中频逆变凸焊机(容量2×130 kVA/台)3台,NIMAK三相中频逆变凸焊机(容量2×200 kVA/台)2台,NIMAK三相中频逆变点焊机(容量90 kVA/台)31台,OBARA三相中频逆变凸焊机(容量2×200 kVA/台)2台。上述设备额定负荷共为5 170 kVA(单条生产线)。

2.2 主工艺负荷特点

装焊车间的主工艺设备是焊机,另外还配有生产用辅助工艺设备(空压机、干燥机、水泵等)。

该车间使用了三相中频逆变凸焊机和三相中频逆变点焊机。尽管这两种焊机用途不同(凸焊是点焊的一种变型形式),但均采用了逆变式中频点焊电源作为焊接电源。

2.2.1 逆变式中频点焊电源特点

(1) 直流输出。焊接电流为脉动直流(且波纹度小),无交流过零不连续加热工件的缺点,热量集中,提高了焊接热效率;特别适合有色金属材料和一些难焊材料的焊接;焊接过程稳定,焊接质量显著提高,同时延长了电极寿命。

(2) 电源设备时间调节分辨率极高,25 kHz逆变频率时可达40 μs,能够控制焊接时间。

(3) 与通常交流焊机相比,反馈控制的响应速度快,输出稳定性好;与电容储能焊机相比,无需充放电,可控性明显增强,特别适合于精密件的焊接和高质量、高精度、高速度的焊接。

(4) 由微控制器控制,具有电流、电压、功率监控功能,能够对电流失常、监控值超限、网压超限、过热等故障进行诊断与报警。

(5) 设备体积小,更节能。

2.2.2 逆变式中频点焊工作原理

首先将三相工频(50 Hz)交流网路电压输入整流器,经整流和滤波变成直流电源,再通过大功率开关电子元件(晶闸管、晶体管、场效应管等)的交替开关作用,逆变成中频交流电压,同时经变压器降至适合于焊接的电压,后再次整流并经电抗滤波,输出平稳的直流焊接电流。

若直接用逆变降压后的交流电进行焊接,由于其频率高、感抗大,在焊接回路中有功功率会大大降低。因此,还需再次进行整流。

2.2.3 中频逆变焊机对供配电系统的影响

该车间使用的焊机都属于反复短时工作制负荷,并且都是大功率非线性负荷,可视为谐波电流源。

(1) 负荷变化的影响。作为反复短时工作制负荷,车间内的焊机单台工作周期约600 ms,暂载率约为0.5,同时系数为0.4。因此,在没有采取群控措施(该车间主要为手动焊接)的情况下,其用电负荷变化量较大且变化速度很快。

经过对现有同类型车间用电负荷功率的测量与统计,可知功率值一直处于变化中,形成了低值、中值、高值变化区域,且这三处均呈现出类似正态分布。这种变化的功率值为连续跳跃式变化,从某一区域跃变到另一区域。低值平均值与中值平均值的差值、中值平均值与高值平均值的差值均约为中值平均值的一半,变化周期约为0.6 s,即变化的幅值达到了中值的一半或接近中值。这种变化的幅值很大,且变化的频率较高。

用电负荷的变化势必然导致供电系统中主母线上电流的大幅度、频繁而快速变化,同时引起相关电压降的变化,恶化了供电电能质量,进而影响焊接产品的质量。

(2) 谐波的影响。中频逆变焊机使用的弧焊逆变电源在其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,产生大量高次谐波。在焊接过程中,焊接电流可达到几百甚至上千安培。电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流、高频变压器漏磁、控制系统振荡、高频引弧、功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。此外,高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机功率因数很低。

谐波干扰经近场和远场耦合形成传导干扰,严重污染周围电磁环境和电源环境,不仅使逆变电路的可靠性降低,而且会使电网及临近设备运行质量受到严重影响。

(3) 无功功率的影响。由于高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低,使无功功率大幅增加。无功功率的增加,导致发生以下情况:

① 电流增大,视在功率增加。若不能改善功率因数,则变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时,电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

② 总电流增大,设备及线路的损耗增加。

③ 线路及变压器的电压降增大,如果是冲击性无功功率负载,还会使电压产生剧烈波动,供电质量严重降低。

综上所述,采用弧焊逆变电源的焊机设备在运行时极大地影响了供电电源质量,污染了电网环境,使车间内相关的电力、电子设备不能正常运行。

2.3 辅助工艺设备

辅助工艺设备含空压站和循环水泵房设备,均为长时间连续运行的设备。其动力部分为旋转电机,同时系数较高,可取1;需要系数达0.80～0.85;相对于焊机,功率因数较高,达0.80～0.85。这些运行参数,使辅助工艺设备对供电系统和电网电能质量影响很小,与焊机相比,几乎可以忽略。

3 供电设计

3.1 变电所设置

根据负荷分布情况,为该车间设置2个变电所。在南部1F设置1个车间变电所(1#变电所),为南部区域供电;在北部2F(1F空压机房上)设置1个车间变电所(2#变电所),为北部区域电焊机和其他动力及照明等供电。

3.2 变电所设备配置

在车间变电所内设有10 kV中压环网柜、干式变压器、低压配电柜(含进线柜、馈出柜、母联柜)、低压无功功率补偿柜、低压有源滤波柜。

3.3 变压器设置

考虑到主工艺负荷的特点(功率因数较低,易产生谐波),对焊机设备采用专设的变压器供电。对于辅助工艺动力设备和公用负荷(照明、插座、空调、风机等),另设变压器进行供电,以避免焊机设备对它们的运行产生影响。

3.3.1 变压器容量

变压器安装容量共为4 000 kVA,共设4台1 000 kVA、10/0.4 kV 变压器。每个变配电所内均设两台,其中一台为工艺焊接设备专用,另一台为其他负荷用。

3.3.2 变压器选型

变配电所位于车间内,且室内面积有限,因此采用干式变压器。考虑到工艺负荷功率变化较大,产生的电压和电流涌流可能较大,且车间内生产时环境温度较高,故采用非晶合金干式变压器。

非晶合金变压器损耗低、发热少、温升低,过载能力和耐高温能力较强。在120%额定负载情况下可长期运行,在风冷条件下可以150%额定负载运行;空载损耗仅为S9型变压器的20%左右,比GB/T 10228—2008《干式变压器技术参数和要求》规定值下降75%,节能效果显著。该变压器具体型号为SCRBH 15-1000/10,10/0.4 kV,绝缘等级F级,绕组接线组别(连接组标号)为Dyn11,短路阻抗为6%。

3.4 10 kV侧供配电

变配电所的两台变压器供电电源分别来自厂区总降变电10 kV侧的两段母线。由于单台变压器容量仅为1 000 kVA,因此中压侧在车间变配电所内采用环网柜供电。每台变压器对应的10 kV环网柜共3台,分别为进线柜、计量柜、出线柜,柜型为SafeRing C、M、F。

4 工艺配电设计

0.4 kV侧的工艺配电设计分为变电所内配电设计和车间内配电设计。

4.1 变电所内配电设计

4.1.1 低压母线主接线

在每个变电所内设有两台1 000 kVA(10/0.4 kV)变压器,其中一台(1#变压器)为焊机专用,另一台(2#变压器)为辅助工艺设备(1#变电所)或公用实施(2#变电所)供电。由于南北两区均有排烟风机等消防负荷,因此各变电所内低压侧主接线采用分段单母线(断路器受电)接线方式,母联断路器平时断开,当有一路电源或某台变压器发生故障时,母联断路器闭合,以保障一级负荷和二级负荷的供电。

一级负荷和二级负荷设备均由两路电源供电,用电取自低压侧两段不同的母线,但主用回路引自2#变压器,备用回路取自1#变压器,以避免焊机设备可能对供电质量产生不利影响。

4.1.2 工艺设备馈电

为主工艺设备(焊机作业线)设置独立的专用低压馈出用配电柜,采用密集型铜母线槽从配电柜引出以馈电。

采用电缆从非专用配电柜引出,为辅助工艺设备馈电。

4.1.3 无功功率补偿

(1) 无功功率补偿方式及优缺点。无功功率补偿一般有中压集中补偿、低压集中补偿、低压就地补偿三种方式。

中压集中补偿是将中压并联电容器组安装在变电所的中压母线上进行无功补偿。优点:补偿装置根据负荷的变化自动投切,提高了用户的功率因数,防止无功能量进入上一级电网造成电压的波动,降低网损,保护上级电网,社会效益大。缺点:仅适用于用电单位使用一定数量的中压负荷,并且其远离中压开关站(及总降变电站)或位于中压供电线路的末端;设备成本及建设投资较大。

低压集中补偿方式是将低压并联电容器组(柜)安装在变电所的低压侧母线上进行无功补偿。优点:补偿装置根据负荷的变化自动投切,合理地提高了用户的功率因数,防止无功能量进入上一级电网造成电压的波动,降低网损,保护上级电网,社会效益大,是目前大多数工业、民用工程中采用的主要无功补偿方式。缺点:电容器的投切是整组进行,无法平滑地调节;虽然对上级电网的贡献大,但带给用户的节能经济收益有限。

低压就地补偿方式是将低压并联电容器组(柜)就地安装在需要进行无功补偿的低压用电设备旁,并与其供电母线并联或将它们制成一体化的成套设备。优点:能够补偿安装部位以前电力线路和变压器中的无功功率,补偿范围大,补偿效果最好,应优先采用;补偿装置根据负荷的变化自动投切,合理地提高了用户的功率因数,防止无功能量进入上一级电网造成电压的波动,降低网损,保护上级电网,社会效益大,是目前大多数工业、民用工程中采用的主要无功补偿方式。缺点:使用率低,在被补偿的用电设备停止工作时,电容器组也将被一起切除;电容器组的数量大,设备总投资很大;适用于长期运行且负荷稳定的设备,不适用于电动机频繁起动及经常正反转的设备。

(2) 无功功率补偿措施。该车间没有中压用电设备负荷,且车间变电所与厂区总降变电所之间的负荷力矩比较合理,设计单位初步确定采用低压就地无功补偿和低压集中无功补偿两种方式。但由于建设单位(认为可能占用现场使用面积,产品采购麻烦)没有采纳设计单位要求进行就地低压无功补偿的建议,设计单位只能在车间变配电所内进行低压无功功率集中补偿。

为合理选择无功功率补偿容量,避免出现欠补或过补现象,对NIMAK三相中频逆变凸焊机(BOSCH焊控) 2×130 kVA、2×200 kVA及OBARA三相中频逆变凸焊机(OBARA焊控)2×200 kVA的功率因数进行了测量。三相中频逆变凸焊机功率因数如表1所示。

表1 三相中频逆变凸焊机功率因数

根据获得的各型焊机功率因数值,经计算,对每段工艺用电低压母线设备进行无功功率补偿的容量为520 kvar 。

考虑到上述焊机为典型的冲击性负荷,具有变化快、强冲击的特点,采用了三相动态补偿方式。选用了TSC低压无功动态无功补偿装置,其主回路由晶闸管投切的并联电容器串联电抗器的无源补偿回路组成。该装置具有快速跟踪补偿能力,能够快速跟踪系统无功变化,实时动态响应投切,总动态响应时间小于20 ms:在5 ms内实现信号数据的采集、计算和控制输出,在20 ms内实现补偿回路的投切响应。

为保障运行的可靠性,要求大功率晶闸管过零投切单元中的晶闸管采用优质名牌产品。对补偿柜电容器的容量进行了优化组合,单台柜内电容器组合为(120+150+180) kvar,避免过补偿和欠补偿。补偿前的平均功率因数为0.72,补偿后功率因数可达0.95。单台变压器负荷计算表如表2所示。

表2 单台变压器负荷计算表

4.1.4 消谐措施

按照标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的要求,标称电压为0.38 kV的电压总谐波畸变率限值为5%,则注入公共连接点的2、3、5、7、9、11次谐波电流允许值分别为78、62、62、44、21、28 A,基准短路容量为10 MVA。由于谐波电压是由谐波电流流经线路两端产生的,因此本文以谐波电流为讨论对象。

为了针对性地消除谐波,对焊机设备进线侧的谐波次数、谐波大小、总谐波畸变进行了测量。三相中频逆变焊机谐波电流结果如表3所示。

由于NIMAK三相中频逆变凸焊机2×200 kVA与NIMAK三相中频逆变凸焊机2×130 kVA仅在容量上存在差异,工作及用电特性均相类似,可以200 kVA焊机作为参考来分析130 kVA焊机。

表3 三相中频逆变焊机谐波电流

由表3可见,NIMAK三相中频逆变凸焊机产生的谐波电流主要为3次以上谐波,OBARA三相中频逆变凸焊机产生的谐波电流主要为5次以上谐波,两者的谐波畸变率均较高。

为有效地消除谐波,该工程采取了无源滤波、有源滤波两种措施。

(1) 无源滤波。低压无功功率补偿柜采用了干式、自愈、内置压力保护的滤波电容器,具有2倍的额定电压/电流的高过压/过流性能。无源补偿回路中的串联电抗器的电抗率分别为7%和14%,分别针对5次和3次及以上谐波,谐波滤除率可达60%～75%。

(2) 有源滤波。在无功补偿装置旁(并联),采用大容量工业用低压电力有源滤波器可同时滤除2～50次谐波,可以设定24种谐波的滤除比例,并可分次进行补偿;能在300 μs内对干扰作出响应,谐波滤除率可达95%。

低压电力有源滤波器中的三相并联变流器由串联电抗器并联在供电回路上,通过实时检测电路将负载电流中的谐波分量和基波无功分量分离出,经控制系统运算,并控制IGBT的触发,由三相并联变流器产生反向的谐波电流,作为补偿电流注入系统,实现了动态补偿谐波,以保证电能质量。该装置的响应时间不大于10 ms,有功功率损耗小于1%。

经分析各型焊机功率组成和相对应的谐波畸变率,确定每台工艺变压器配套的低压电力有源滤波器柜规格(补偿电流)为500 A。为配合负荷动态变化较大,单台有源滤波器柜电流组合为(100+160+240) A。

经以上消谐措施,在低压配电母线上测得2、3、5、7、9、11次谐波电流值均不大于10 A,电压总谐波畸变率限值小于3%,满足国家标准的要求。

4.2 车间内主工艺配电设计

针对车间内南、北两个生产区的工艺布置,采用了两套密集型铜母线槽(均为2 000 A,三相五线制)系统。铜母线槽分别引自1#、2#变配电所内的铜母线槽馈出柜。

在铜母线槽上预留多处母线槽插接箱,箱内设有低压断路器,整定电流为400 A或500 A。建设单位在母线插接箱旁设置二级配电柜,通过该柜由电缆向附近生产线上的焊机供电。

目前,该工程已投入使用并达产,焊接产品的一等品率超过建设单位预定指标的1.6%,满足建设单位的生产需求。

5 结 语

目前,国内汽车厂家虽然对焊装工艺供配电非常重视,但其部分相关专业人员仍缺乏对工艺设备电气参数、电源质量治理等技术的了解,不能向设计单位准确提供相关工艺用电气参数与供电质量需求。本文介绍了汽车工业焊装工艺负荷的供配电设计,从而为相关技术人员提供参考。

[1] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 任元会.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3] GB/T 14549—1993 电能质量 公用电网谐波[S].

[4] GB 50053—2013 20 kV及以下变电所设计规范[S].

Design of Power Supply and Distribution for Welding Process Load in Automotive Industry

DONG Xingpeng1, LI Yunpeng2

(1.Beijing Research Institute of Industrial Design, Beijing 100021, China;2.Ji’an Group Co., Ltd., Jiaxing 314304, China)

The features of process load in automotive industry welding workshop was analyzed,and the impact of supply and distribution system from frequency inverter welder was introduced.The design measures of supply and distribution system for welding workshop process were detailed explained at aspects of location and configuration of power distribution station,reactive power compensation and harmonic elimination,and active wave filter.The incidental problems and solutions recommended in the welding design stage in current.It could provide

for electrical design of welding workshop.

welding workshop; welder; substation; reactive power compensation; active filtering

董昕鹏(1971—),男,高级工程师,研究方向为供配电技术和电能质量。

TU 852

B

1674-8417(2015)05-0020-06

2015-01-08

李云鹏(1974—),男,工程师,从事电气工程及自动化方面的研究。