浅谈动态无功补偿柜在汽车装焊车间的运用

王文红

（天津一汽华利汽车有限公司 天津 300380）

在当前社会中，节能一直是不变的话题，如何有效利用有限的资源，是我们大家应该重点关注的主题。作为汽车制造业中的装焊车间，其负荷是以点焊机为主，这类焊机具有变化快、强冲击、不对称、谐波大的特点，在工作时给电力系统带来大量的冲击性无功功率，功率因数较低。传统的补偿方式采用对称补偿，即三相同时投切、同时补偿，而焊接负荷每一相需要补偿的无功功率不同，这样势必造成某一相补偿量不足或者某一项过补偿。另外传统的补偿方式采用接触器投切电容器，动作缓慢，这就造成补偿装置投切不准确。为了彻底的解决这些问题就需要一种采用分相补偿的动态补偿器。本文就结合动态无功补偿装置在华利公司装焊课生产线低压电力系统改造的实际应用情况来阐述这一点。

1 现场负荷的组成及低压供电系统存在的问题

1.1 现场负荷的组成

天津一汽华利汽车有限公司焊装课是从事车身骨架焊接的车间，所用变压器为SCB10-2500/10（济南志亨特种变压器有限公司），容量2500KVA，根据现场生产线设备使用铭牌记载总负载4997.6KW，其中设备主要是悬挂式点焊机、固定式点焊机、板试链输送机、往复杆输送机共计设备180台，总功率4939.4KW，占总负载的98.84%，所以负载基本可以认为是全感性负载。

1.2 现场负荷测量

测量过程中发现如下问题：

(1)供电系统运行稳定性较差。生产线生产过程中低压进线总柜进线电流波动较大，最大时能达到5574A，大大的超过了进线总柜断路器长延时过负荷跳闸所设定4000A，在运行历史上多次出现过过负荷跳闸的情况，影响了生产线的正常生产。

(2)功率因数较低且波动很大。根据仪器测量，在实测时段中有功平均功率为590KW,无功平均功率为640KVar，最大无功功率为1988 KVar。实测平均功率因数只有0.63，而且波动非常大（见图片1），这主要是由点焊机等主要负载快速变化的工作特性所决定，功率因数最低时不足0.4，最高时有0.8。有功、无功、视在功率等也波动非常大，并且三相负载严重不平衡。功率因数不达标会导致用电设备利用率降低，增大线路功率损耗，降低电网输电效率。

图1 安装前的功率因数

(3)电压电流畸变较为严重。电压上下波动比较频繁，最高425V,最低只有304V，电压跌落值达121V左右；电流的畸变率平均32%以上，最高时达133%（见图2）。电流的畸变率过大，谐波电流也随之增大，造成过电流，对其他负载用电设备造成损坏，降低电气设备使用寿命。由于点焊机工作靠瞬间产生热量焊接加工产品，电压跌落严重，相对应的点焊机所产生的能量也会随之降低，这样就可能会造成虚焊等问题，产品的质量也就会随之下降，次品率增大。

图2 安装前的电流电压

(4)谐波危害。以点焊机为主的非线性负载所产生的谐波，主要有3、5、7次谐波,其中3次谐波最高时达到44%左右（见图3）。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：（A）对供配电线路的危害。（B）对变压器的危害。（C）对电力电缆的危害。D）对用电设备的危害。（E）影响电力测量的准确性。（F）影响供电系统的无功补偿设备。

图3 安装前的谐波

根据对现场的调查以及供电系统电能质量的分析结果，得出了需要安装无功补偿柜的结论。

2 现有的无功补偿柜简介及优缺点介绍

现在市场上无功补偿柜主要有传统式无功补偿柜和动态补偿电容柜这两种，下面就其优缺点做简单介绍：

2.1 传统式电容器补偿柜

传统式电容补偿柜多采用有触点的交流接触器来控制电容器的投切。其响应速度慢，无法跟踪负荷快速变化的无功电流，无法补偿其无功功率，从而导致电压不稳定闪烁及大电流的损耗、造成电源设备(如变压器)容量的下降。传统的电容补偿柜其共性的缺点可归结如下：

1.响应速度慢，约十几秒，所以无法跟踪快速变化的无功电流，无法进行实时补偿。

2.三相电容器投切无法同步，且有抖动，无法克服开关的瞬态效应。

3.无法控制投切时电流浪涌的冲击，因其投切点是随机的，可能在电流最大的时候投切，易造成电容器热胀裂和烧坏开关触头以致降低电容器及开关元件的使用寿命。

4.无法识别快速变化的负荷。由于无法补偿快速变化的无功电流，导致在大的时间间隔内中断了对无功功率的补偿，造成电压不稳定、闪烁、大电流的损耗及功率的损失。

5.危及敏感的用电设备。在不稳定的电压源下，通信、交通、计算机中心、医院中的精密电子设备不可能稳定可靠的工作。

6.不能防止谐振和抑制谐波。

2.2 动态功率因数补偿装置

最新的动态功率因数补偿柜采用先进的电子技术和计算机技术，通过电子电力开关实现无触点的快速投切，从而获得实时跟踪、实时补偿负荷变化的无功功率。它的设计是针对传统的电容器柜所存在的缺点而进行的创造性的革新，其突出的优点如下：

1.通过控制晶闸管实现各次滤波器组无触点自动投切，避免了传统接触器投切及晶闸管过零投切时产生的涌流、暂态冲击，无需放电即可再投。延长了动态补偿系统的使用寿命。

2.不仅可以自动跟踪系统无功负荷变化，进行快速无功补偿，还可以滤除电力系统中的谐波电流，保证用户功率因数在规定的范围内，并且由于电容器与电抗器串联，避免了谐波的放大问题。

3.滤波器组由控制器控制投切，提高了滤波器组的快速响应能力，可根据配电系统的负荷情况动态频繁的投切。动态响应时间不超过20ms。

4.安装有功能强大、易于调试的液晶显示控制器，可实时显示系统电压、功率因数、投入系统滤波器的组数、补偿电流等数据。可对功率因数、过压值、失压值、过流值、谐波畸变率值、投切延时等参数进行编程。有过压、过流、欠流等报警功能。

5.根据三相平衡负荷和不对称负荷可实现三相或分相投切。

6.可以根据客户系统专门设计，滤波效果明显。采用晶闸管投切电力滤波器这一新技术，为配电系统提供了一种动态补偿提高功率因数、滤除谐波及稳定电压改善电能质量、降损节能的新手段。

从两种补偿柜的性能对比可以看出，传统式的电容补偿柜因为使用的是接触器进行投切，无法跟上装焊课负荷的变化速度，并且浪涌冲击较大，电容器的使用寿命也较短，无法满足现场的要求。而动态无功补偿柜的投切装置更换为晶闸管后响应速度、浪涌冲击、电容器使用寿命等各方面都符合现场技术要求，故选定了动态无功补偿柜进行安装。

3 安装后的效果

3.1 供电系统运行稳定性得到提高

设备安装后，低压进线总柜的电流已经由安装前的最高5574A，下降到2298A。保证了供电系统即使在生产负荷最大时其电流也比进线柜所设定的过负荷跳闸电流低，保证了供电的稳定性。在安装后的8个月之内再无出现过负荷跳闸现象。

3.2 功率因素得到明显提高并且波动较为平稳

实测时段有功平均功率为678KW,无功平均功率为27KVar。实测平均功率因数达到0.98，在图4中，可以明显看出无功功率降低，有功功率也有所降低，功率因数维持在1左右。而且功率因数的波动没有以前投切前频繁和剧烈。虽然还有些波动，这是由于电焊机在焊接过程中损耗的有功量的不同造成的。

图4 安装后的功率因数

3.3 电压电流畸变的得到了控制

电压的波动相对比较平稳，基本可以维持在375V到400V之间。而且波动相对平稳，电压基本没有跌落。电流的畸变电流的畸变率已经降到10%以内，最高不超过15%。而且从图5上可以看出电流相对降低，排除负载情况外，实际电流平均降低了将近300A。

图5 安装后的电流电压

3.4 谐波得到了抑制

谐波抑制是最为明显的部分，从图6可以看出3次及以上谐波大部分已经被抑制，总谐波含量都不到10%，也看不出丝毫有谐波放大的现象。说明无功补偿装置有效地抑制了谐波，使得谐波含量大幅减低。

图6 安装后的谐波

谐波抑制是最为明显的部分，从图6可以看出3次及以上谐波大部分已经被抑制，总谐波含量都不到10%，也看不出丝毫有谐波放大的现象。说明无功补偿装置有效地抑制了谐波，使得谐波含量大幅减低。

4 节能效益

4.1 提高了车间功率因数，降低了无功消耗，减少了线路损耗

根据电力谐波分析仪在现场采集到的数据可以看出

⑴动态无功补偿装置投入使用后，在点焊机使用过程中的功率因数得到了明显的提高（平均值由0.63提高到0.98）。

⑵补偿柜投入后电网消耗的无功功率由640KVar降低到27KVar。

⑶补偿柜投入后系统电流由5574A左右下降到2298A，降低了线路的损耗。

4.2 节约电费

根据相关资料显示，每投入1Kvar的动态无功补偿装置可节约0.1至0.15KW有功功率。生产线所安装的动态无功补偿装置为1200Kvar，一年可节约电度为（按一年工作300天，每天工作18小时计算）：

1200Kvar×0.1KW/Kvar×18h×300＝648000度，折合电费41.47万元。

5 结语

受到电容投切装置原理的影响传统的电容补偿柜在焊装车间中无法起到应有的补偿的作用，很多焊装车间在设备规划中都没有设计安装，即使有安装的也因为损坏频率很高基本也都处于瘫痪状态。而动态无功补偿柜可以很好的解决这些问题，通过在焊装课生产线的实际应用，可以看出投切装置更换为晶闸管后，各方面都能很好的满足现场的要求，这为提高汽车工厂焊装工艺车间功率因数的提高提供了有效的手段。