汽车工厂焊接车间供配电方案研究

2014-10-15凌华

机电信息 2014年18期

凌华

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

0 引言

随着我国汽车制造企业的迅速发展，汽车整车工厂的规模越来越大，制造工艺也越来越先进，四大工艺对供配电系统的供电质量、供电可靠性、系统运行经济性提出了更高的要求。四大工艺中尤其以焊接工艺对配电要求特别高，供电质量差不仅会影响整车焊接质量，而且焊接车间的负荷特殊性又会对电网造成较大冲击，影响其他设备正常运行。此外，如焊接车间的供配电系统设计不合理，将会造成企业投资增加、扩建困难、运行成本增加等。作为汽车企业的一名电气工程师，笔者曾经全程经历几个产能30万辆／年的汽车生产基地建设项目以及多条40JPH焊接线建设工程的设计、施工、调试、达产全过程，积累了一些经验，下面就汽车工厂焊接车间供配电系统方案的规划设计及设计中应注意的问题谈一下个人的体会。

1 焊接车间供电系统总容量规划

焊接作为汽车整车工厂生产的四大工艺之一，不同于其他三大工艺，刚性强，多品种车型的通用性差，产品每一次更新换代，都需要更新车间内大量的专用设备和生产工艺，对于市场需求旺盛的产品，通常又会对该产品焊接线进行产能提升改造，增加焊机设备的安装容量。这样就可能会出现用电设备总安装容量大幅增加，导致供配电系统容量无法满足工艺用电要求。而一般供配电系统生命周期约为20年，甚至更长，如工程投入使用后不久就因用电设备的大量增加而需要扩容改造，将导致无谓的重复投资。但如果过度考虑用电设备的扩张，又可能造成工程投运后供配电系统负荷率长期过低的现象，其实亦是一种资源的浪费。因此，在焊接车间供配电系统规划建设时，应与工艺规划充分沟通，了解焊接车间的总体规模、运行模式及最大产能，供配电系统容量既要保证当时焊接生产线的用电需求，又要为将来的新产品焊接线和产能提升作适当预留，但又不至于超容量设计导致企业投资增加。

例如某汽车工厂焊接车间建设规模为4条焊接主线（包括前车体、下车体、总拼、左侧围、右侧围），4条门盖线，2条调整线，每条焊接线生产节拍均为40JPH。因受调整线的产能牵制，该焊接车间的最大生产节拍也仅能达到80JPH，最大运行模式为任意2条焊接主线和任意2条门盖线同时生产，因此，对于供配电系统的容量设计通常只需考虑2条焊接主线和2条门盖线工艺设备的用电量，并适当预留备用容量。

2 焊接车间的负荷组成及特性

焊接车间的工艺设备负荷80%以上是焊机，主要包括悬挂式点焊机、凸焊机、CO2保护焊机、螺杆焊机、机器人焊机等，其中90%为悬挂式点焊机，这类点焊机容量通常为150kVA、180kVA，单机容量大，且数量多，一般一条40JPH车身线配置200台左右，电压是单相380V，功率因数0．6，为电抗器感性负荷，工作时间50～200ms，是典型的非线性冲击性负荷，会产生大量的谐波及无功功率。

焊接车间其他负荷由包边机、输送设备及其控制系统，三坐标、打码机、涂胶机、机器人控制系统等工艺设备及空调、风扇、照明等公用设备组成，这些设备极易受到电网质量的影响，而由于点焊机焊接时产生较大的电压波动和闪变，会对以上设备产生较大影响，小则停机、停线、影响设备寿命，大则误动作造成事故。

3 焊接车间的负荷计算

3．1 点焊机暂载率（负荷持续率）的取值

焊接车间的负荷主要是焊机，故主要进行焊机的负荷计算。焊接车间在进行负荷计算（变电所及干线）时，点焊机暂载率的取值是个焦点问题。根据焊接工艺，一般的薄板焊接约5～10个周波（0．1～0．2s），厚的板材约10～15个周波（0．2～0．3s），2次通电间隔约为2s，相当于暂载率在8%～15%之间。而点焊机的额定暂载率标称为50%，两者相差甚远，如果以额定暂载率进行负荷计算，得出的结果与实际负荷必然出现极大的偏差，导致变压器选择过大。因此计算时可根据各工程情况，暂载率取值在10%～15%之间。

3．2 焊机类负荷需要系数的确定

在进行负荷计算时，对于焊机类设备需要系数的选择，目前主要依据《工业与民用配电设计手册》，点焊机需要系数Kx取0．35。但是对于汽车工厂的焊接车间，不能盲目应用该数据，还需要对生产工艺进行了解和分析。我们知道，焊接线的负荷大小就在于多少台焊机同时工作，其尖峰负荷也就是最大焊机工作数时的工作负荷。由于受到人员工作的熟练程度、前后工序的复杂程度、工件在工位之间的输送方式等因素的影响，同时投入工作的焊机数量是不确定的。根据工程实际运行经验，采用传统输送方式即工位间人工电动葫芦输送，焊机投入运行的数量在时间上分布相对均匀；而采用自行小车统一输送的方式，由于开始焊接的时间较为一致，焊接时间比较集中，焊机同时使用系数比较高，往往导致焊接的冲击电流很大，就会造成焊接线负荷偏离平均值过大。因此，应根据输送方式的不同，考虑一定的负荷修正系数，得出焊接线的计算负荷，避免出现过负荷现象。

3．3 柔性焊接生产线的负荷计算

对于多产品混线的柔性焊接生产线的负荷计算，不能单纯根据工艺提供的平面布置图及设备清单进行。应与工艺沟通清楚，哪些为共用拼台焊机，哪些为单一产品的专用拼台焊机，因为专用拼台焊机只有生产某一产品时才投入使用。表1为某柔性焊接线焊机设备清单。

表1 柔性焊接线焊机设备清单

可见，该柔性焊接线的总焊机数量共282台，但实际上投入运行的焊机最大数量为生产产品2时共183台，如果按282台焊机全部投入使用进行负荷计算，将会造成配电系统容量过大，而实际的生产负荷远小于计算负荷。这样不仅会带来巨大的投资浪费，而且加大了配电系统的损耗，增加了运行成本。

4 变电所设计

4．1 合理设置变电所

根据负荷计算结果选择变压器的容量与数量，为了便于控制，通常结合工艺规划的分区设置变电所。变电所均采用组合式变电所，以节省空间，变压器采用干式变压器，并设置变电所钢结构平台。

对于较易受到电网质量影响的设备，如焊接机器人控制电源、输送设备的PLC控制柜、三坐标设备、照明及公用设备，可考虑设置一台专用变压器，以避免焊机引起的电压波动和谐波干扰。

4．2 变电所的选址

变电所选址是供配电设计是否合理的关键，如果低压母线或电缆供电半径过长，会导致线损严重，电压降过大，影响供电质量。为了减少低压线路的损耗及投资，应尽可能使变电所设置于负荷中心。焊接车间各工艺生产区域的连接是非常紧密的，因此在变电所选址时，应结合焊接车间的生产线建设及管理实际，与生产线相配合。变电所一般选择在摆放物料相对较少且工艺钢结构标高较低的生产线区域，如前车体或侧围线区域上方，这样既节省空间，又能达到节省投资和节能的目的。

4．3 无功补偿投切

为了提高低压配电系统的功率因数，降低线损，增加变压器的负载能力，通常在配电变压器低压侧采用低压并联电容器装置进行无功集中补偿。

焊装车间的大部分负荷由点焊机组成，为单相380V负荷，具有变化快、冲击强、不对称、谐波大的特点。传统补偿采用三相对称静态补偿的方式（图1），即三相同时投切，同时补偿，而焊机负荷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某一相过补偿。此外，传统的补偿采用接触器投切补偿电容器，动作速度慢，而点焊机一般工作周期在50～200ms，当补偿控制器检测出要投切的电容器数量时，接触器还未来得及动作点焊机已结束工作，从而造成补偿装置投切不准确，达不到正常的补偿效果，影响产品的焊接质量。因此，焊接负荷的无功补偿必须采用分相动态补偿方式（图2）。分相动态补偿装置采用三相独立控制技术，可根据负荷无功功率变化进行分相检测、分相补偿、自动投切，动态响应时间≤20ms。可采用自动循环投切方式，全工况下功率因数不低于0．95。适用于各种不对称冲击性负荷，尤其适合焊接负荷的快速补偿。

图1 静态补偿一次系统图

图2 分相动态补偿一次系统图

5 焊接车间的配电设计

5．1 母线布置

焊接车间配电方案一般采用干线式，干线采用插接母线，母线设置在负荷中心，一般可沿生产线工艺钢结构的边梁敷设，这样既可以缩短设备配电的出线，避免电压降过大影响焊接质量，又可以节省投资。对采用工艺吊架不合理的地方，可跨柱或沿梁敷设，但应注意与结构协商预留吊点。另外，母线布置应避开输送平台，并与压缩空气管道、动力管道统一汇总，避免相互干涉。

需要注意的是，容易受到电网质量影响的设备，如焊接机器人、控制电源等，不能由焊接母线直接供电，焊接机器人所配的焊机可接至焊接母线。

5．2 点焊机配电

点焊机为单相380V，应均匀分配到三相上，即接到AC、BC、CA相上，使各相的负荷尽量接近，达到三相平衡。

因点焊机为断续工作制，点焊机的额定容量不能直接用于保护电器和导线的选择，必须将其转换为负载持续率ε＝100%时的有功功率，再进行相关计算。选择配电导线和电缆时，既要考虑导体载流量与保护电器的配合，也要考虑电焊设备断续工作制这一因素。因此，导线选择时既要满足导体允许持续载流量大于低压断路器的额定电流，又要满足导体允许断续载流量不小于用电设备在额定负载持续率下的额定电流。

5．3 输送线设备配电

焊接车间输送系统的主要设备包括自行小车、积放链、滑撬、自动吊具等，焊接车间输送系统大部分负荷由许多小电机组成，一般按工艺分区控制。常出现的问题是工艺所提用电需求为每个分区的总容量，即把所有电机容量简单相加，通常还乘以一个1．2～1．4的（预留）系数，而实际上输送系统的很多电机是不同时使用的，导致实际运行电流比设计容量小很多。根据工程项目的实际运行数据，某焊接线工艺所提出的自行小车PLC输送控制柜的容量为250A，但实际运行最大电流不超过50A，平均电流则更小，出现“大马拉小车”的现象，显然，这种负荷计算方式是不合理的。因此，输送系统的配电设计应根据各工程情况考虑输送设备的同时系数。

6 照明设计

6．1 灯具选型

焊接车间厂房属于高大工业厂房，无特殊要求时，应优先选用金属卤化物灯为代表的高强度放电灯，因为金属卤化物灯具有光效高、显色性好、寿命长等特点，适用于大面积场所照明。焊接车间厂房一般为10～12m的单层厂房，常采用250W、400W2种光源。焊接生产线对照明的要求比较高，一般照度为300～500lx，而生产线工艺钢结构一般在5m高左右，考虑到踏台高度，一般净空为3～4m。因此，工位照明可采用高效节能型荧光灯，如T5、T8型荧光灯。生产时焊接线工艺钢结构有振动，曾发生过灯管掉落事故，故应考虑选用带防护罩的灯具。