淺談動態無功補償柜在汽車裝焊車間的運用

王文紅

（天津一汽華利汽車有限公司 天津 300380）

在當前社會中，節能一直是不變的話題，如何有效利用有限的資源，是我們大家應該重點關注的主題。作為汽車制造業中的裝焊車間，其負荷是以點焊機為主，這類焊機具有變化快、強沖擊、不對稱、諧波大的特點，在工作時給電力系統帶來大量的沖擊性無功功率，功率因數較低。傳統的補償方式采用對稱補償，即三相同時投切、同時補償，而焊接負荷每一相需要補償的無功功率不同，這樣勢必造成某一相補償量不足或者某一項過補償。另外傳統的補償方式采用接觸器投切電容器，動作緩慢，這就造成補償裝置投切不準確。為了徹底的解決這些問題就需要一種采用分相補償的動態補償器。本文就結合動態無功補償裝置在華利公司裝焊課生產線低壓電力系統改造的實際應用情況來闡述這一點。

1 現場負荷的組成及低壓供電系統存在的問題

1.1 現場負荷的組成

天津一汽華利汽車有限公司焊裝課是從事車身骨架焊接的車間，所用變壓器為SCB10-2500/10（濟南志亨特種變壓器有限公司），容量2500KVA，根據現場生產線設備使用銘牌記載總負載4997.6KW，其中設備主要是懸掛式點焊機、固定式點焊機、板試鏈輸送機、往復桿輸送機共計設備180臺，總功率4939.4KW，占總負載的98.84%，所以負載基本可以認為是全感性負載。

1.2 現場負荷測量

測量過程中發現如下問題：

(1)供電系統運行穩定性較差。生產線生產過程中低壓進線總柜進線電流波動較大，最大時能達到5574A，大大的超過了進線總柜斷路器長延時過負荷跳閘所設定4000A，在運行歷史上多次出現過過負荷跳閘的情況，影響了生產線的正常生產。

(2)功率因數較低且波動很大。根據儀器測量，在實測時段中有功平均功率為590KW,無功平均功率為640KVar，最大無功功率為1988 KVar。實測平均功率因數只有0.63，而且波動非常大（見圖片1），這主要是由點焊機等主要負載快速變化的工作特性所決定，功率因數最低時不足0.4，最高時有0.8。有功、無功、視在功率等也波動非常大，并且三相負載嚴重不平衡。功率因數不達標會導致用電設備利用率降低，增大線路功率損耗，降低電網輸電效率。

圖1 安裝前的功率因數

(3)電壓電流畸變較為嚴重。電壓上下波動比較頻繁，最高425V,最低只有304V，電壓跌落值達121V左右；電流的畸變率平均32%以上，最高時達133%（見圖2）。電流的畸變率過大，諧波電流也隨之增大，造成過電流，對其他負載用電設備造成損壞，降低電氣設備使用壽命。由于點焊機工作靠瞬間產生熱量焊接加工產品，電壓跌落嚴重，相對應的點焊機所產生的能量也會隨之降低，這樣就可能會造成虛焊等問題，產品的質量也就會隨之下降，次品率增大。

圖2 安裝前的電流電壓

(4)諧波危害。以點焊機為主的非線性負載所產生的諧波，主要有3、5、7次諧波,其中3次諧波最高時達到44%左右（見圖3）。諧波的危害電力系統中諧波的危害是多方面的，概括起來有以下幾個方面：（A）對供配電線路的危害。（B）對變壓器的危害。（C）對電力電纜的危害。D）對用電設備的危害。（E）影響電力測量的準確性。（F）影響供電系統的無功補償設備。

圖3 安裝前的諧波

根據對現場的調查以及供電系統電能質量的分析結果，得出了需要安裝無功補償柜的結論。

2 現有的無功補償柜簡介及優缺點介紹

現在市場上無功補償柜主要有傳統式無功補償柜和動態補償電容柜這兩種，下面就其優缺點做簡單介紹：

2.1 傳統式電容器補償柜

傳統式電容補償柜多采用有觸點的交流接觸器來控制電容器的投切。其響應速度慢，無法跟蹤負荷快速變化的無功電流，無法補償其無功功率，從而導致電壓不穩定閃爍及大電流的損耗、造成電源設備(如變壓器)容量的下降。傳統的電容補償柜其共性的缺點可歸結如下：

1.響應速度慢，約十幾秒，所以無法跟蹤快速變化的無功電流，無法進行實時補償。

2.三相電容器投切無法同步，且有抖動，無法克服開關的瞬態效應。

3.無法控制投切時電流浪涌的沖擊，因其投切點是隨機的，可能在電流最大的時候投切，易造成電容器熱脹裂和燒壞開關觸頭以致降低電容器及開關元件的使用壽命。

4.無法識別快速變化的負荷。由于無法補償快速變化的無功電流，導致在大的時間間隔內中斷了對無功功率的補償，造成電壓不穩定、閃爍、大電流的損耗及功率的損失。

5.危及敏感的用電設備。在不穩定的電壓源下，通信、交通、計算機中心、醫院中的精密電子設備不可能穩定可靠的工作。

6.不能防止諧振和抑制諧波。

2.2 動態功率因數補償裝置

最新的動態功率因數補償柜采用先進的電子技術和計算機技術，通過電子電力開關實現無觸點的快速投切，從而獲得實時跟蹤、實時補償負荷變化的無功功率。它的設計是針對傳統的電容器柜所存在的缺點而進行的創造性的革新，其突出的優點如下：

1.通過控制晶閘管實現各次濾波器組無觸點自動投切，避免了傳統接觸器投切及晶閘管過零投切時產生的涌流、暫態沖擊，無需放電即可再投。延長了動態補償系統的使用壽命。

2.不僅可以自動跟蹤系統無功負荷變化，進行快速無功補償，還可以濾除電力系統中的諧波電流，保證用戶功率因數在規定的范圍內，并且由于電容器與電抗器串聯，避免了諧波的放大問題。

3.濾波器組由控制器控制投切，提高了濾波器組的快速響應能力，可根據配電系統的負荷情況動態頻繁的投切。動態響應時間不超過20ms。

4.安裝有功能強大、易于調試的液晶顯示控制器，可實時顯示系統電壓、功率因數、投入系統濾波器的組數、補償電流等數據。可對功率因數、過壓值、失壓值、過流值、諧波畸變率值、投切延時等參數進行編程。有過壓、過流、欠流等報警功能。

5.根據三相平衡負荷和不對稱負荷可實現三相或分相投切。

6.可以根據客戶系統專門設計，濾波效果明顯。采用晶閘管投切電力濾波器這一新技術，為配電系統提供了一種動態補償提高功率因數、濾除諧波及穩定電壓改善電能質量、降損節能的新手段。

從兩種補償柜的性能對比可以看出，傳統式的電容補償柜因為使用的是接觸器進行投切，無法跟上裝焊課負荷的變化速度，并且浪涌沖擊較大，電容器的使用壽命也較短，無法滿足現場的要求。而動態無功補償柜的投切裝置更換為晶閘管后響應速度、浪涌沖擊、電容器使用壽命等各方面都符合現場技術要求，故選定了動態無功補償柜進行安裝。

3 安裝后的效果

3.1 供電系統運行穩定性得到提高

設備安裝后，低壓進線總柜的電流已經由安裝前的最高5574A，下降到2298A。保證了供電系統即使在生產負荷最大時其電流也比進線柜所設定的過負荷跳閘電流低，保證了供電的穩定性。在安裝后的8個月之內再無出現過負荷跳閘現象。

3.2 功率因素得到明顯提高并且波動較為平穩

實測時段有功平均功率為678KW,無功平均功率為27KVar。實測平均功率因數達到0.98，在圖4中，可以明顯看出無功功率降低，有功功率也有所降低，功率因數維持在1左右。而且功率因數的波動沒有以前投切前頻繁和劇烈。雖然還有些波動，這是由于電焊機在焊接過程中損耗的有功量的不同造成的。

圖4 安裝后的功率因數

3.3 電壓電流畸變的得到了控制

電壓的波動相對比較平穩，基本可以維持在375V到400V之間。而且波動相對平穩，電壓基本沒有跌落。電流的畸變電流的畸變率已經降到10%以內，最高不超過15%。而且從圖5上可以看出電流相對降低，排除負載情況外，實際電流平均降低了將近300A。

圖5 安裝后的電流電壓

3.4 諧波得到了抑制

諧波抑制是最為明顯的部分，從圖6可以看出3次及以上諧波大部分已經被抑制，總諧波含量都不到10%，也看不出絲毫有諧波放大的現象。說明無功補償裝置有效地抑制了諧波，使得諧波含量大幅減低。

圖6 安裝后的諧波

諧波抑制是最為明顯的部分，從圖6可以看出3次及以上諧波大部分已經被抑制，總諧波含量都不到10%，也看不出絲毫有諧波放大的現象。說明無功補償裝置有效地抑制了諧波，使得諧波含量大幅減低。

4 節能效益

4.1 提高了車間功率因數，降低了無功消耗，減少了線路損耗

根據電力諧波分析儀在現場采集到的數據可以看出

⑴動態無功補償裝置投入使用后，在點焊機使用過程中的功率因數得到了明顯的提高（平均值由0.63提高到0.98）。

⑵補償柜投入后電網消耗的無功功率由640KVar降低到27KVar。

⑶補償柜投入后系統電流由5574A左右下降到2298A，降低了線路的損耗。

4.2 節約電費

根據相關資料顯示，每投入1Kvar的動態無功補償裝置可節約0.1至0.15KW有功功率。生產線所安裝的動態無功補償裝置為1200Kvar，一年可節約電度為（按一年工作300天，每天工作18小時計算）：

1200Kvar×0.1KW/Kvar×18h×300＝648000度，折合電費41.47萬元。

5 結語

受到電容投切裝置原理的影響傳統的電容補償柜在焊裝車間中無法起到應有的補償的作用，很多焊裝車間在設備規劃中都沒有設計安裝，即使有安裝的也因為損壞頻率很高基本也都處于癱瘓狀態。而動態無功補償柜可以很好的解決這些問題，通過在焊裝課生產線的實際應用，可以看出投切裝置更換為晶閘管后，各方面都能很好的滿足現場的要求，這為提高汽車工廠焊裝工藝車間功率因數的提高提供了有效的手段。