安科瑞汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方案李亚俊.docx

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1、汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方案安科瑞电气股份有限公司李亚俊摘要：现如今的汽车制造行业，使用的机械设备越来越精密，制造技术与自动化水平也越来越高，为此对供电系统的电能质量要求更高更苛刻，同时对不能满足现有生产工艺需求的供电质量必须进行治理。通过分析汽车制造过程中冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺产生的谐波、功率因数低、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题，结合实际项目治理案例，介绍了系统解决方案，并对取得治理效果进行展示分析。关键词：汽车制造行业；非线性负载；电能质量监测与治理；系统解决方案；0.引言电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益。随着科技的进步

2、与发展，冲击性、非线性的负载越来越多，尤其是电力电子器件的应用，使得谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题尤为严重。汽车行业的电能质量问题，主要体现在汽车制造业中，而在汽车制造业中，主要体现在冲压、焊接、涂装、总装生产工艺。整个汽车制造流程紧密衔接，具有高度集成的特点，对电能质量的要求相对较高。而任何一个制造工艺的供电故障、电气事故都会影响到上一个工艺或下一个工艺的正常运作。因此，治理谐波，提高电能质量，营造安全、稳定、高效、健康的绿色电能质量环境问题是汽车制造行业的配电中非常重视的问题。1 .汽车制造行业供配电系统谐波源及其危害汽车制造行业供配电系统中的谐波源主要可分为冲压设备、焊接

3、设备、涂装设备以及总装设备四大类，具有畸变率高、功率因数低、种类杂、数量多等特点。1.1 冲压设备11.1冲压设备的用电现状汽车车身冲压成形是汽车制造技术的重要组成部分，其中大量使用数控冲床、等离子切割机床、多工位冲压机床等大型设备。这些设备普遍采用直流电动机，是典型的谐波源及冲击性负荷，产生的谐波不仅造成母线电压波动，使设备无法运行，还会使系统功率因数降低，电压、电流波形严重畸变，增加系统的无功功率损耗，影响整个供电系统。主要是冲击性负载，会引起功率因数很低，造成系统电压会偏低的情况，同时会伴随一些谐波，谐波电流约占设备全部开启后系统电流30乐谐波电压会随着系统负载的不同在7%T0%变动状况

4、，但是主要还是5、7次谐波。11.2对制造工艺的危害谐波导致过压、过流、欠压等电能质量问题，会使冲压设备因过压、过流而出现过负荷的冲压，或因欠压而导致压力不够、冲压不到位，出现产品报废等现象。谐波使系统损耗增加，增加系统的发热量和噪声污染。长时间工作在不良电能环境中，会降低设备寿命，损坏电容补偿装置。冲击性负荷会使供电系统不稳定，造成严重的电压闪变、瞬时电压降低等现象，使某些设备停止运行。1.2 焊接设备1.2.1 焊接设备的用电现状汽车焊接主要用于车身的制造，有点焊、凸焊、二氧化碳保护焊和氢弧焊等多种方式（目前大量使用焊接机器人）。对于带涂层的钢板、涂胶的钢板、多层板及不同材质板等条件下的焊

5、接，传统的工频点焊机难以满足焊接要求，中频点焊机在越来越多的汽车生产企业得到应用。中频点焊机工作原理：工频交流电经整流、滤波后变成直流电，再通过大功率开关电子元件（如场效应管MOSFET或IGBT）的交替开关作用，把直流电逆变成几千赫兹到几万赫兹的中频交流电压，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。其工作过程简单表示为：工频交流-直流-中频交流-直流。焊机工作中频点焊时，焊接参数大概为预压时间400ms800s,焊接时间200ms450ms,焊接电流高达510kA,焊接脉冲数为120次，保持时间IOOmS300ms.中频点焊机工作频繁，工作周期短，电流变换频率高，主要表现为

6、瞬时突变电流，功率因数低、无功和电压波动较大、谐波电流和电压较大、三相电压不平衡严重等。1.2 .2对制造工艺的危害点焊机是典型的单相冲击性负载，也是典型的谐波源。因为焊机是两相短路原理，会造成严重的电流不平衡的情况，同时启动电流会很大，造成较大的冲击性电流，功率因数会很低，甚至会造成系统电压偏低的情况，同时会产生很大的谐波，并且谐波畸变率会比较高，估计会达到20%以上。谐波电流使得系统的电压电流发生畸变，出现过压、欠压、过流，甚至引起保护装置误动，影响正常生产。还会造成焊件质量不到位、虚焊、漏焊、误焊等隐患，导致产品不合格。另外，谐波电流使设备无法正常运行，导致中性线电流增大、中性线电缆的肌

7、肤效应相应增大，降低电缆使用寿命，严重时会烧毁电缆，威胁整个系统的电能质量。1.3 涂装设备1.3.1 涂装设备的用电现状涂装工艺主要是通过机械手对焊接成形的车身及零部件进行喷涂和烘烤，一般会涉及到电泳设备，类似电镀。涂装工艺的主要负载是电力电子器件和大容量的加热设备,这些设备应用整流及变频原理制造,在此过程中会产生谐波，而加热设备则使用电阻较大的器件。涂装车间的电能质量表现为感性无功较大、整体功率因数低、谐波电流大而复杂，系统母线端电压降低严重，设备发热量大以及利用率低。电流畸变率在10%-25%之间，以5次、7次谐波为主、包括一些偶次及高次谐波的特征1.3. 2对制造工艺的危害谐波会使涂装

8、车间的设备损耗增加，使主变的铁损、铜损、介质损耗、电压峰值增加，变压器噪声变大，变压器的负载能力减小。谐波会使涂装、喷漆、运送等设备出现误动，导致喷漆不均匀，运送不到位，在涂装表面出现气泡、漏涂、打磨不到位、重复涂装等缺陷，严重影响产品的涂装质量。由于系统无功消耗增加，母线电压下降，电压发生偏差，而加热设备会因电压过低，在规定的时间内达不到烘烤汽车表面涂层温度标准，出现烘烤质量问题。1. 4总装工艺1.1.1 总装设备的用电现状总装工艺是把各零部件安装到焊接好并经过涂装后的车身上，总装工艺过程主要是利用机器人代替人工进行自动组装，其程序控制是利用二极管、三极管、放大电路、整流桥、开关电源等电子

9、元件，这些器件单个产生的谐波虽小，但大量集成使用会对供电系统造成严重影响，产生大量谐波，主要是13次以下的谐波，以5、7次谐波为主，其中5次谐波最为严重。因此，这些设备对电能质量的要求很高。1.4. 2对制造工艺的危害谐波会使电流电压畸变，使得处于过零运行的P1C、单片机等器件因电压异常而引发误动，导致过早或延迟过零，影响到整体的指令控制。电压畸变还会影响电力电子器件的动作及精度，造成机械手误动。谐波还会损害电容器，使主控制板温度增加，降低电子元件的使用寿命。1.5. 波的其他危害谐波除了影响电容器正常运行之外，还会对以下设备造成危害：(1)对变压器的影响谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次

10、及奇倍数谐波，对三角形连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成谐振，使变压器附加损耗增加。(2)对配电线路的影响线路阻抗随着频率的升高而增加，谐波电流使线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗，所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素。线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路，在一定的参数条件下，会发生串联谐振或并联谐振，而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大。在适当的条件下还会形成谐波放大。而谐波电压、电流放大会引起继电保护装置

11、误动甚至损坏。(3)对电机装置的影响柴油发电机的内阻跟市电相比大了很多，非线性负载产生的谐波的电流引起的电压畸变就大很多，造成油机输出电压严重失真。可能造成油机的控制系统故障，引起用电事故。现在的通信机房停电时一般都由油机提供备电，因此必须重视这个问题。(4)影响继电保护和自动装置的正确性，谐波影响以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰(电气化铁道、电弧炉等)则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后果。系统中不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。(5)影

12、响计量装置的准确性电能计量装置按50HZ标准的正弦波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表(尤其是电子式电能表)的正常工作。有谐波源存在时，该处用户的电能表的记录应为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能，故谐波能使电能计量装置产生误差。2. 汽车制造行业电能质量治理需求分析及主要特征1. 1需求分析汽车行业自动化水平在不断提高，各种生产设备对电网的供电质量要求也越来越高。工艺设备中由于采用变频技术使得非线性负荷数量增长，非线性负荷会产大量的谐波注入电网严重影响电网电压质量；同时生产设备中冲击性负荷的存在，使得瞬时从电力系统吸收大量的冲击性无功功率。应用有效的电能质量的调控设备，在

13、现有网架结构的基础上，提高输电容量和质量成为当前迫切需要解决的问题。采用快速、灵活，实时监测、动态补偿无功功率和有源滤波装置，对保证供电能质量，建设绿色电网，降低网损具有重大意义；也对工业企业减少不必要的浪费，降低成本，提高生产率，促进企业和整个国民经济的发展，具有不可估量的社会意义。2. 2主要特征(1)新能源汽车改朝换代，行业市场前景好，各地建厂或扩建；(2)属于中端制造业，为保证正常生产配电电能质量要求较高；(3)负载多样化，冲压机为冲击性负载，需进行补偿。中频焊机、变频器是主要谐波源，需进行谐波治理。3.汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方案3. 1解决方案安科瑞电气提出的电能质量

14、监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为汽车制造行业用户提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。经过以上分析可以知道，在汽车制造行业中容易产生谐波畸变率大、功率因数偏低、三相不平衡严重等问题。那么我们可以根据车间情况进行分析治理方案。冲压车间：主要是冲击性负载，会导致功率因数偏低问题，从而造成系统电压偏低的情况。冲击负载运行过程中伴有冲击电流同时会产生部分谐波，但是主要以5、7次谐波为主；因此可通过安装有源无功补偿装置进行快速的补偿无功，同时补偿装置在满足裕量充足的情况下可以用来补偿213次谐波。焊接车间

15、：主要是中频焊机，焊机是两相短路原理，会造成严重的电流不平衡的情况，同时启动电流会很大，造成较大的冲击性电流，导致功率因数偏低，甚至会造成系统电压偏低的情况，同时会产生较大的谐波，并且电压谐波畸变率会比较高，估计会达到20%以上（国标要求不超过5%）。因此可通过安装有源无功补偿装置补偿无功、治理三相不平衡；另外需单独安装有源谐波治理装置来治理谐波。涂装和总装车间：负载主要整流变频设备，变频设备一般为容性负载，本身功率因数较高，但运行过程会产生部分谐波，主要以6N1次谐波为主，因此可安装有源谐波治理装置进行谐波治理。3. 2方案特点（1）电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测

16、、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入Acre1EMS-EV汽车制造综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；（2）全控技术实现完美电能质量；（3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；（4）电能质量监测与治理装置整体设计，通过上位平台实现统一管理和闭环控制；（5）高品质电能质量治理：配套电力电子装置技术过关、质量过硬，具备网络化、可调控、快速响应的性能；（6）电能管理务业务综合协同：配电监控管理与运维、电能分析与电能质量数据共享融通，为企业电能供给与消费提供控制手段。4. 3方案价值（1）全面监测电能质量，保障供电可靠性对汽车生产制造的供配电回路的电气参数进行全面监测，确保设备用电符合标准要求。微秒级故障录波与SOE告警能够及时记录故障发生时全部数据信息，支持开