动态无功补偿在汽车焊接车间工程应用的研究

2018-06-28邓剑琪

机电信息 2018年18期

邓剑琪

（上海以华电气技术有限公司，上海200235）

0 引言

随着我国汽车制造业的迅速发展，汽车整车工厂的规模也越来越大，汽车厂的四大工艺流程——冲压、焊装、涂装、总装对配电系统都提出了很高的要求。其中焊接车间对电压稳定的要求最高，汽车焊接车间的点焊机负载变化极为快速，其负荷特点是工作时间很短，一般只有几百毫秒，功率因数很低，一般只有0.4～0.6，是典型的非线性冲击性负荷。因为近乎实时的无功能量消耗而产生了大的电流变化，导致电压的大幅度波动，这些波动会降低焊接质量，降低焊接生产线的能力。

近年来，动态无功补偿在汽车焊接车间被越来越多地采用，动态补偿不仅可以提高功率因数，提高变压器利用率，同时还能达到稳定电压、消除闪变的作用，能明显提高生产效率和焊接质量，充分利用现有设备，减少基本费用开支。

本文从汽车焊接车间的实际需求出发，对动态无功补偿的一些技术特点和工程应用进行了讨论。

1 汽车焊接车间动态无功补偿接线方式的选择

不同的电容器接线方法会影响到动态无功补偿的补偿效果，动态无功补偿的接线方式大致分为4种类型（图1）：星型无中性线接法、星型有中性线接法、三角型外接法、三角型内接法。

图1 动态无功补偿的4种接线方式

（1）星型无中性线接法接线简单，但由于没有中线起到电位固定的作用，可能产生电压漂移，会造成某相电压过高，超过器件耐压值，或者某相电压过低，负载无法正常工作，同时也不能进行分相补偿。

（2）星型有中性线接法中晶闸管两端电压为相电压，每相间互不影响，这种接线方式可以实现三相分补。由于有中线，当负载不平衡时会产生较大的中线电流，流过晶闸管的电流较大，3次谐波电流会流过电容器。

（3）三角型外接法由于采用三相电抗器，相对于角内接法体积更小，但投切暂态过程长，这种接法应用于三相对称负载时，可有效抑制3倍次的谐波，但该接线方式只能适合于三相共补，不能进行分相补偿。

（4）三角型内接法中电容器和晶闸管一起构成了三角型回路，这种接线方式流过晶闸管的电流较小。因为是采用了单相电抗器，三相负载不平衡时分别投入该相电容电抗器组，所以能进行不平衡负载的分相补偿。

汽车工业采用的焊接设备不管是单相焊机还是三相焊机，都是使用三角型接法即跨接在相间接入电网，选用动态无功补偿要和负载的接法相一致，也应该使用三角型接法即跨接在相间，根据检测到的负载无功需求进行每相的补偿，这样从能量流动和补偿效果来讲最为合理，也有利于谐波的抵消，而且补偿前后均无中性点电流，电容器两端电压不会产生漂移，所以汽车焊接车间的动态补偿应采用三角型接法。

汽车工业焊接设备绝大多数是用380 V电源，由两相供电（L1-L2、L2-L3或L3-L1），通常三相负载的平衡问题在工厂供电设计时就已经考虑，把点焊机的供电布局接近平衡，避免因三相不平衡而出现零序电流，所以在这种情况下通常采用三相共补就可以了。参看欧美几个大汽车公司的有关资料，点焊机的供电不平衡度为20%以下时，采用平衡三相共补无大碍，在不平衡度超过20%时，就应考虑选用不平衡分相补偿。

在实际应用中，还要考虑晶闸管的散热设计，如果流过晶闸管电流较大、温度较高，晶闸管容易烧坏，综合以上考虑应选择能进行分相补偿、流过电流小的三角型内接法。

如果采用星型接法的三相不平衡补偿，补偿电容器组分别连接在L1-N、L2-N、L3-N。首先由于电容器运行电压低，电容量为三角型接法的1/3，选取单只数量增多，导致安装困难、安全性降低；负载点焊机分别连接的是L1-L2、L2-L3、L3-L1，由于补偿时负载不平衡，极易造成中性点电位偏移，致使某相电压升高、某相电压降低，此时电容器的容量发生变化，补偿精度受到影响，尤其在出现严重不平衡时，电容器运行极不安全，如出现某一相过补偿或欠补偿，将使零线电流太大导致保护开关误动作，影响配电系统的安全可靠性。

采用星型接法的三相不平衡补偿另一个问题是，在低压配电采用三相四线制TN-C系统供电时，其工作中性线N与保护接地线PE合为一根PEN线，设备的外裸可导电部分与PEN线相连。当三相不平衡时PEN线上有电流通过，引起零电位漂移，危及人身安全，影响用电设备正常工作。所以这时应尽可能降低中性点的接地电阻，以保证由三相不平衡涌流引起的零电位漂移较小。

2 汽车焊接车间动态无功补偿的指标要求

2.1 动态无功补偿的响应时间

动态无功补偿的响应时间，是补偿装置最重要的指标之一，尤其是在汽车工业的点焊机工况下，响应时间的快慢直接影响到焊接质量。补偿装置从网络检测、运算（控制器部分）到触发晶闸管模块，直至投切全部电容器组，总的响应时间应≤20 ms。

如果是80～100 ms每次只投切一步的响应过程，不能起到稳定电压、消除闪变的作用，反而会加剧电压波动，导致焊接效果差，并影响产品质量。投入时——因为响应时间不够，补偿电容是逐步加入，会造成欠补；切除时——因为电容器逐步切除，会造成过补，使得系统电压抬高、电流抬升，加剧电压波动和闪变。

使用于汽车工业的动态无功补偿，晶闸管阀一般采用两只晶闸管反并联的方法，达到两只晶闸管轮流触发的效果，起到接通和断开补偿回路的作用。这种反并联的方式可靠性高，即使某相损坏一只晶闸管，也不会导致电容器误投入，晶闸管阀承受的最大反相电压为电源电压的峰值。这种方式在快速响应方面有优势，电容器切除在半个周波内即不大于10 ms完成。

出于经济性和操控简便的考虑，也有采用一只晶闸管和一只二极管反并联的接线方式构成晶闸管阀。这种结构可有效避免冲击电流和过电压对供电系统及设备的影响，晶闸管阀所承受的最大反向电压为电源电压峰值的两倍。由于反并联二极管的不可控性，通常要经过半个周波到一个周波才能彻底关断将电容器切除，这种方式在响应时间上有欠缺。

2.2 晶闸管过零投切和防止浪涌产生

为了防止和减小在电容器投入时产生的浪涌电流（浪涌电流过大会影响电容器寿命），电容器的投切暂态过程和串联电抗器的选择很重要。

晶闸管投切电容进行无功补偿要求具有零电压导通、零电流关断的特点，以实现快速无涌流冲击地投切电容。电容器的投入是在晶闸管两端电压为零，即电网电压与电容器预充电电压相等的时刻瞬间完成，在投入过程中没有冲击电流和过电压。电容器的切除是在去掉触发脉冲信号后，晶闸管在电流过零时完成。这样电容器可以任意频繁地投切，不会产生浪涌电流，不会对电容器及电子开关等器件造成损伤，延长了电容器、晶闸管模块的使用寿命。

根据国标GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》，用于抑制涌流和谐波的电抗器，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，电抗率宜采用5%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，电抗率宜采用12%……因为一旦发生谐振，谐振电流将达到数倍的电容器额定电流，足以损坏电容器，严重时甚至会导致低压配电系统的崩溃。在常规的电容补偿柜中没有安装解调电抗器，电容器的使用寿命短甚至发生爆裂与其都有一定的关系。

汽车焊接车间选用的大部分是单相焊机，会产生大量的3次谐波，应串联12%～14%的电抗器防止3次谐波的放大，以防范电容器组与电网产生的3次谐波并联谐振。

3 汽车焊接车间多变压器多母线环的接法

现在汽车焊接车间多采用多个变压器多个母线环的配电方式，在工程实践中我们需要确定的是：

（1）动态补偿的位置，在变压器侧的集中补偿还是在负载侧的补偿；

（2）动态补偿CT的采样点是在变压器下面还是在负载母线上；

（3）动态补偿容量的确定，特别是汽车焊接的无功需求比较大。

动态无功补偿的主要作用是稳定电压、消除闪变，汽车焊接车间尤其如此，因此动态补偿最好的方式是对于负载进行快速跟踪。但汽车焊接车间焊机数量多、单台容量都比较小，很难分成这么多小容量的动态补偿并联在每一个焊机侧。因此一般工程案例都是在变压器侧进行电流信号采集，CT的采样点都是接在变压器的出线柜，动态无功补偿的位置也在变压器出线柜的旁边。图2所示这个工厂是3变压器3母线环。

图2 焊接车间3变压器3母线环的接线

也有工程案例采用在焊接母线环内采集负载电流的方式，图3所示这个工厂是3变压器2母线环，在每个环中放了一套动态无功补偿，在每一个母线环中间割断分别取两组CT的电流信号，并通过一个合CT连接到控制器。

图3 焊接车间3变压器2母线环的接线

在工程实践中要求两个CT的采样点尽量靠近环的外侧，以采集到更多焊机的电流，动态无功补偿的位置也可以在车间平台上。

汽车焊接车间的设备是短时工作制，安装的全部焊机容量和瞬时工作的焊机容量之间也有一个百分比的关系，目前依据《工业与民用配电设计手册》，点焊机选用的负荷需要系数是0.35，但在不同的生产流水线、不同的焊接时间，焊机的冲击电流是不一样的，因此动态补偿容量的设计要考虑到生产线输送方式的影响。

汽车焊接会导致很大的电压波动和跌落，动态补偿的容量又和电压成平方关系，比

如电压跌到0.9，动态补偿的容量就跌到了0.81，考虑到电压跌落的影响动态补偿的容量设计要大一点，我们一般也会考虑到最大尖峰时刻的无功需求，再考虑到焊接无功需求一般是瞬间同时发生，电容器的分组也可不必追求过细。本文提供了一个现场测试案例，可以看到汽车焊接车间节拍工作制下对无功容量的需求。

有的汽车工厂随着产量的提高，在原有的生产线上不断增加焊接设备，希望提高变压器的使用率和加装动态无功补偿来解决问题。根据现场经验，因为多个变压器并联，变压器下的各个环都是连在一起的，在某一个变压器的环下加动态补偿，其电流也可流到其他变压器的环，未加动态补偿的变压器测试功率因数也有所抬高，这也提供了一个根据电流的流向来放置动态补偿柜的思路。

同时对于大容量的动态补偿系统，按容量分主柜、辅柜几个柜子，应该由一个控制器来控制。在一条母线上安装几套补偿系统（几个控制器）的话，会造成控制的不同步，导致实时补偿精度降低，甚至会加剧电压波动。投切全部电容器组，采用晶闸管过零投切和串联合适的电抗器以减少浪涌电流，对于稳定电压、消除闪变、提高功率因数，提高生产效率和焊接质量都有很大的帮助。

图4 不投入动态无功补偿的测试，无功需求瞬间值较大

图5 使用正确的动态无功补偿，投入补偿—切除补偿—投入补偿

4 汽车焊接车间动态无功补偿的效果测试

2013年5月，我们对某中外合资汽车公司的焊接车间进行测试分析，他们的变压器是1 250 kVA，由于不断地加焊机负载，可以看到尖峰无功需求达到了1 500 kvar（图4），现在选择的动态补偿是1 000 kvar，可以看到1 000 kvar的补偿容量还是有欠缺的，至少还要扩容400～500 kvar。

从现场测试来看，采用本文所讨论的动态无功补偿系统，稳定电压、消除闪变的效果非常明显（图5），动态无功补偿能明显降低无功电流、提高功率因数，进而提高变压器的带负载能力。从测试效果来看，因为后来增加的焊机数量较多，无功补偿容量也需进一步加大。