動態無功補償在汽車焊接車間工程應用的研究

摘要 

本文討論了用于汽車焊接車間的動態無功補償的接線方式以及指標要求，針對實際工程應用中的多變壓器多母線環接法也進行了研究，并給出了焊接車間動態補償的實際測試效果，為工程應用中的動態補償設計、選型提供了一些參考。

引言

隨著我國汽車制造業的迅速發展，汽車整車工廠的規模也越來越大，汽車廠的四大工藝流程沖壓、焊裝、涂裝、總裝對配電系統都提出了很高的要求。其中焊接車間對電壓穩定的要求更高，汽車焊接車間的點焊機負載變化極為快速，其負荷特點是工作時間很短，一般只有幾百毫秒，功率因數很低，一般只有0.4-0.6，是典型的非線性沖擊性負荷。因為近乎實時的無功能量的消耗而產生了大的電流變化，導致電壓的大幅度波動，這些波動會降低焊接質量、降低焊接生產線的能力。

本公司機器人專用點焊鉗在上汽大眾B+SUV車型主焊線上

近年來動態無功補償在汽車焊接車間被越來越多地采用，采用動態補償不僅僅可以提高功率因數、提高變壓器的利用率，同時達到穩定電壓、消除閃變的作用，能明顯地提高生產效率和焊接質量，充分地利用現有的設備、減少基本費用開支。

本文從汽車焊接車間的實際需求出發，對動態無功補償的一些技術特點和工程應用進行了討論。

1、汽車焊接車間動態無功補償接線方式的選擇

不同的電容器接線方法會影響到動態無功補償的補償效果，動態無功補償的接線方式大致分為4 種類型（圖1）：星型無中性線接法、星型有中性線接法、三角型外接法、三角型內接法。

圖1 動態無功補償的4種接線方式

① 星型無中性線接法的接線簡單，但由于沒有中線起到電位固定的作用，可能產生電壓漂移，會造成某相電壓過高，超過器件耐壓值，或者某相電壓過低，負載無法正常工作，同時也不能進行分相補償。

② 星型有中性線接法中晶閘管兩端電壓為相電壓，每相間互不影響，這種接線方式可以實現三相分補。由于有中線，當負載不平衡時會產生較大的中線電流，流過晶閘管的電流較大，3次諧波電流會流過電容器。

③ 三角型外接法由于采用三相電抗器，相對于角內接法體積更小，但是投切暫態過程長，這種接法應用于三相對稱負載時，可有效抑制3 倍次的諧波，但是該接線方式只能適合于三相共補，不能進行分相補償。

④ 三角型內接法中電容器和晶閘管一起構成了三角型回路，這種接線方式流過晶閘管的電流較小。因為是采用了單相電抗器，三相負載不平衡時分別投入該相電容電抗器組，所以能進行不平衡負載的分相補償。

汽車工業采用的焊接設備不管是單相焊機還是三相焊機，都是使用三角型接法即跨接在相間接入電網，選用動態無功補償要和負載的接法相一致，也應該使用三角型的接法即跨接在相間，根據檢測到的負載無功需求進行每相的補償，這樣從能量流動和補償效果來講最為合理，也有利于諧波的抵消，而且補償前后均無中性點電流，電容器兩端電壓不會產生漂移，所以汽車焊接車間的動態補償應該采用三角型接法。

汽車工業焊接設備絕大多數是用380V電源，由二相供電（L1-L2、L2-L3或L3-L1）,通常三相負載的平衡問題在工廠供電設計時就已經考慮，把點焊機的供電布局接近平衡，避免因三相不平衡而出現零序電流，所以在這種情況下通常采用三相共補就可以了。參看歐美幾個大汽車公司的有關資料，點焊機的供電不平衡度為20%以下時，采用平衡三相共補無大礙，在不平衡度超過20%時，就應該考慮選用不平衡分相補償。

在實際應用中，還要考慮晶閘管的散熱設計，如果流過晶閘管電流較大、溫度較高，晶閘管容易燒壞，綜合以上的考慮應該選擇能進行分相補償、流過電流小的三角型內接法。

如果采用星型接法的三相不平衡補償，補償電容器組分別連接在L1-N、L2-N、L3-N。首先由于電容器運行電壓低，電容量為三角型接法的1/3，選取單只數量增多，導致安裝困難、安全性降低；負載點焊機分別連接的是L1-L2、L2-L3、L3-L1，由于補償時負載不平衡，極易造成中性點電位偏移，致使某相電壓升高、某相電壓降低，此時電容器的容量發生變化，補償精度受到影響，尤其在出現嚴重不平衡時，電容器運行極不安全，如出現某一相過補償或欠補償，將使零線電流太大導致保護開關誤動作，影響配電系統的安全可靠性。

2、汽車焊接車間動態無功補償的指標要求

2.1 動態無功補償的響應時間

動態無功補償的響應時間，是補償裝置最重要的指標之一，尤其在汽車工業的點焊機工況下，響應時間的快慢直接影響到焊接質量。補償裝置從網絡檢測、運算（控制器部分）到觸發晶閘管模塊、直至投切全部電容器組，總的響應時間應該≤20ms。

如果是80ms~100ms每次只投切一步的響應過程，不能起到穩定電壓、消除閃變的作用，反而會加劇電壓波動，導致焊接效果差并影響產品質量。投入時——因為響應時間的不夠，補償電容是逐步加入會造成欠補；切除時——因為電容器逐步切除會造成過補，使得系統電壓的抬高、電流的抬升，加劇電壓的波動和閃變。

使用于汽車工業的動態無功補償，晶閘管閥一般采用2只晶閘管反并聯的方法，達到2只晶閘管輪流觸發的效果，起到了接通和斷開補償回路的作用。這種反并聯的方式可靠性高，即使某相損壞1只晶閘管，也不會致電容器誤投入，晶閘管閥承受的最大反相電壓為電源電壓的峰值。這種方式在快速響應方面有優勢，電容器切除在半個周波內即不大于10ms完成。

出于經濟性和操控簡便的考慮，也有采用1只晶閘管和1只二極管反并聯的接線方式構成晶閘管閥。這種結構可有效避免沖擊電流和過電壓對供電系統及設備的影響，晶閘管閥所承受的最大反向電壓為電源電壓峰值的2倍。由于反并聯二極管的不可控性，通常要經過半個周波到一個周波才能徹底關斷將電容器切除，這種方式在響應時間上有欠缺。

2.2 晶閘管過零投切和防止浪涌產生

為了防止和減小在電容器投入時產生的浪涌電流（浪涌電流過大會影響電容器的壽命），電容器的投切暫態過程和串聯電抗器的選擇是很重要的。

晶閘管投切電容進行無功補償要求具有零電壓導通、零電流關斷的特點，以實現快速無涌流沖擊的投切電容。電容器的投入是在晶閘管兩端電壓為零，即電網電壓與電容器預充電電壓相等的時刻，在投入過程中沒有沖擊電流和過電壓，電容器的投入是在晶閘管兩端電壓為零的瞬間完成。電容器的切除是在去掉觸發脈沖信號后，晶閘管在電流過零時完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切，不會產生浪涌電流，不會對電容器及電子開關等器件造成損傷，延長了電容器、晶閘管模塊的使用壽命。

根據國標GB50227－2017<<并聯電容器裝置設計規范>> 用于抑制涌流和抑制諧波的電抗器，當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次及以上時，電抗率宜采用5%；當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為3次及以上時，電抗率宜采用12%……因為一旦發生諧振，諧振電流將達到數倍的電容器額定電流，足以損壞電容器，嚴重時甚至導致低壓配電系統的崩潰。在常規的電容補償柜中沒有安裝解調電抗器，電容器的使用壽命短甚至發生爆裂與其都有一定的關系。

汽車焊接車間選用的大部分是單相焊機，會產生大量的3次諧波，應該串聯12%~14%的電抗器防止3次諧波的放大，以防止電容器組與電網產生的3次諧波并聯諧振。

3  汽車焊接車間多變壓器多母線環的接法

現在汽車焊接車間多采用多個變壓器多個母線環的配電方式，在工程實踐中我們需要確定的是：

1. 動態補償的位置，在變壓器側的集中補償還是在負載側的補償；
2. 動態補償CT的采樣點，是在變壓器下面還是從負載母線上；
3. 動態補償容量的確定，特別是汽車焊接的無功需求比較大。

動態無功補償的主要作用是穩定電壓、消除閃變，汽車焊接車間尤其是如此，因此動態補償最好的方式是對于負載進行快速跟蹤，但是汽車焊接車間焊機的數量多、單臺容量都比較小，很難分成這么多小容量的動態補償并聯在每一個焊機側。因此一般工程案例都是在變壓器側進行電流信號采集，CT的采樣點都是接在變壓器的出線柜，動態無功補償的位置也在變壓器出線柜的旁邊，圖2所示這個工廠是3變壓器3母線環。

圖2 焊接車間3變壓器3母線環的接線

也有工程案例采用在焊接母線環內采集負載電流的方式，圖3所示這個工廠是3變壓器2母線環，在每個環中放了一套動態無功補償，在每一個母線環中間割斷分別取兩組CT的電流信號，并通過一個合CT連接到控制器，在工程實踐中要求2個CT的采樣點盡量靠近環的電源側，以能夠采集到更多焊機的電流，動態無功補償的位置也可以在車間平臺上。

圖3 焊接車間3變壓器2母線環的接線

汽車焊接車間的設備是短時工作制，安裝的全部焊機容量和瞬時工作的焊機容量之間也有一個百分比的關系，目前依據《工業與民用配電設計手冊》，點焊機選用的負荷需要系數是0.35，但是在不同的生產流水線、不同的同時焊接時間，焊機的沖擊電流是不一樣的，因此動態補償容量的設計要考慮到生產線輸送方式的影響。

汽車焊接會導致很大的電壓波動和跌落，動態補償的容量又和電壓成平方關系，比如電壓跌到0.9、動態補償的容量就跌到了0.81，考慮到電壓跌落的影響動態補償的容量設計要大一點，我們一般也會考慮到最大尖峰時刻的無功容量需求，再考慮到焊接無功需求一般是瞬間同時發生，電容器的分組也可不必追求過細。在本文也提供了一個現場的測試案例，可以看到汽車焊接車間節拍工作制下對無功容量的需求。

有的汽車工廠隨著產量的提高，在原有的生產線上不斷增加焊接設備，希望通過提高變壓器的使用率和加裝動態無功補償來提高帶負荷能力。我們的建議是應該在焊接車間的工藝設計、特別是生產線的設備平衡進行協調，如果有功電流的加大用變壓器的過載來解決、無功電流的加大用動態無功補償來解決，變壓器和動態補償一直處于高負荷的使用狀態，設備有了故障或需要檢修，反過來會影響車間的生產。

汽車焊接車間因為是多個變壓器并聯、變壓器下的各個環都是連在一起的，根據在現場經驗在某一個變壓器的環下加裝動態補償，其電流也可以流到其他變壓器的環，未加動態補償的變壓器的測試功率因數也有所抬高，這也提供了一個根據電流的流向來放置動態補償柜的思路。

同時對于大容量的動態補償系統，按容量分為主柜、輔柜幾個柜子，應該由一個控制器來控制。在一條母線上安裝幾套補償系統（每個柜子一個控制器）的話，會造成控制的不同步，導致實時補償精度的降低，甚至會加劇電壓波動。

4、汽車焊接車間動態無功補償的效果測試

2013年5月我們對某中外合資汽車公司的焊接車間進行測試分析，他們的變壓器是1250kVA，由于不斷地加焊機負載，可以看到尖峰無功需求達到了1500kVar，現在選擇的動態補償是1000kVar，可以看到1000kVar的補償容量還是有欠缺的，至少還要擴容400kVar-500kVar。

圖4 

不投入動態無功補償的測試，無功需求的尖峰值比較大

圖5 

使用正確的動態無功補償，投入補償—切除補償—投入補償

從現場測試來看，采用本文所討論的動態無功補償系統，穩定電壓、消除閃變的效果是非常明顯的，動態無功補償能夠明顯地降低無功電流、提高功率因數，進而提高變壓器的帶負載的能力。從測試效果來看，因為后來增加的焊機數量比較多，無功補償的容量也是需要進一步加大。

5、結束語

汽車焊接車間的動態無功補償可以提高配電系統的電能質量水平，選用三角型內接法的動態無功補償進行5-20ms投切全部電容器組，采用晶閘管過零投切和串聯合適的電抗器以減少浪涌電流，對于穩定電壓、消除閃變、提高功率因數，提高生產效率和焊接質量都是有很大的幫助。