摘要 

本文討論了用于汽車(chē)焊接車(chē)間的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的接線(xiàn)方式以及指標要求，針對實(shí)際工程應用中的多變壓器多母線(xiàn)環(huán)接法也進(jìn)行了研究，并給出了焊接車(chē)間動(dòng)態(tài)補償的實(shí)際測試效果，為工程應用中的動(dòng)態(tài)補償設計、選型提供了一些參考。

引言

隨著(zhù)我國汽車(chē)制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)整車(chē)工廠(chǎng)的規模也越來(lái)越大，汽車(chē)廠(chǎng)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(chē)間對電壓穩定的要求更高，汽車(chē)焊接車(chē)間的點(diǎn)焊機負載變化極為快速，其負荷特點(diǎn)是工作時(shí)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(xiàn)性沖擊性負荷。因為近乎實(shí)時(shí)的無(wú)功能量的消耗而產(chǎn)生了大的電流變化，導致電壓的大幅度波動(dòng)，這些波動(dòng)會(huì )降低焊接質(zhì)量、降低焊接生產(chǎn)線(xiàn)的能力。

本公司機器人專(zhuān)用點(diǎn)焊鉗在上汽大眾B+SUV車(chē)型主焊線(xiàn)上

近年來(lái)動(dòng)態(tài)無(wú)功補償在汽車(chē)焊接車(chē)間被越來(lái)越多地采用，采用動(dòng)態(tài)補償不僅僅可以提高功率因數、提高變壓器的利用率，同時(shí)達到穩定電壓、消除閃變的作用，能明顯地提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，充分地利用現有的設備、減少基本費用開(kāi)支。

本文從汽車(chē)焊接車(chē)間的實(shí)際需求出發(fā)，對動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的一些技術(shù)特點(diǎn)和工程應用進(jìn)行了討論。

1、汽車(chē)焊接車(chē)間動(dòng)態(tài)無(wú)功補償接線(xiàn)方式的選擇

不同的電容器接線(xiàn)方法會(huì )影響到動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的補償效果，動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的接線(xiàn)方式大致分為4 種類(lèi)型（圖1）：星型無(wú)中性線(xiàn)接法、星型有中性線(xiàn)接法、三角型外接法、三角型內接法。

圖1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的4種接線(xiàn)方式

① 星型無(wú)中性線(xiàn)接法的接線(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有中線(xiàn)起到電位固定的作用，可能產(chǎn)生電壓漂移，會(huì )造成某相電壓過(guò)高，超過(guò)器件耐壓值，或者某相電壓過(guò)低，負載無(wú)法正常工作，同時(shí)也不能進(jìn)行分相補償。

② 星型有中性線(xiàn)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(xiàn)方式可以實(shí)現三相分補。由于有中線(xiàn)，當負載不平衡時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的中線(xiàn)電流，流過(guò)晶閘管的電流較大，3次諧波電流會(huì )流過(guò)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(tài)過(guò)程長(cháng)，這種接法應用于三相對稱(chēng)負載時(shí)，可有效抑制3 倍次的諧波，但是該接線(xiàn)方式只能適合于三相共補，不能進(jìn)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(xiàn)方式流過(guò)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(shí)分別投入該相電容電抗器組，所以能進(jìn)行不平衡負載的分相補償。

汽車(chē)工業(yè)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(wǎng)，選用動(dòng)態(tài)無(wú)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(wú)功需求進(jìn)行每相的補償，這樣從能量流動(dòng)和補償效果來(lái)講最為合理，也有利于諧波的抵消，而且補償前后均無(wú)中性點(diǎn)電流，電容器兩端電壓不會(huì )產(chǎn)生漂移，所以汽車(chē)焊接車(chē)間的動(dòng)態(tài)補償應該采用三角型接法。

汽車(chē)工業(yè)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(wèn)題在工廠(chǎng)供電設計時(shí)就已經(jīng)考慮，把點(diǎn)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(gè)大汽車(chē)公司的有關(guān)資料，點(diǎn)焊機的供電不平衡度為20%以下時(shí)，采用平衡三相共補無(wú)大礙，在不平衡度超過(guò)20%時(shí)，就應該考慮選用不平衡分相補償。

在實(shí)際應用中，還要考慮晶閘管的散熱設計，如果流過(guò)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(jìn)行分相補償、流過(guò)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(diǎn)焊機分別連接的是L1-L2、L2-L3、L3-L1，由于補償時(shí)負載不平衡，極易造成中性點(diǎn)電位偏移，致使某相電壓升高、某相電壓降低，此時(shí)電容器的容量發(fā)生變化，補償精度受到影響，尤其在出現嚴重不平衡時(shí)，電容器運行極不安全，如出現某一相過(guò)補償或欠補償，將使零線(xiàn)電流太大導致保護開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，影響配電系統的安全可靠性。

2、汽車(chē)焊接車(chē)間動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的指標要求

2.1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的響應時(shí)間

動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的響應時(shí)間，是補償裝置最重要的指標之一，尤其在汽車(chē)工業(yè)的點(diǎn)焊機工況下，響應時(shí)間的快慢直接影響到焊接質(zhì)量。補償裝置從網(wǎng)絡(luò )檢測、運算（控制器部分）到觸發(fā)晶閘管模塊、直至投切全部電容器組，總的響應時(shí)間應該≤20ms。

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

使用于汽車(chē)工業(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，晶閘管閥一般采用2只晶閘管反并聯(lián)的方法，達到2只晶閘管輪流觸發(fā)的效果，起到了接通和斷開(kāi)補償回路的作用。這種反并聯(lián)的方式可靠性高，即使某相損壞1只晶閘管，也不會(huì )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(yōu)勢，電容器切除在半個(gè)周波內即不大于10ms完成。

出于經(jīng)濟性和操控簡(jiǎn)便的考慮，也有采用1只晶閘管和1只二極管反并聯(lián)的接線(xiàn)方式構成晶閘管閥。這種結構可有效避免沖擊電流和過(guò)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(lián)二極管的不可控性，通常要經(jīng)過(guò)半個(gè)周波到一個(gè)周波才能徹底關(guān)斷將電容器切除，這種方式在響應時(shí)間上有欠缺。

2.2 晶閘管過(guò)零投切和防止浪涌產(chǎn)生

為了防止和減小在電容器投入時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流（浪涌電流過(guò)大會(huì )影響電容器的壽命），電容器的投切暫態(tài)過(guò)程和串聯(lián)電抗器的選擇是很重要的。

晶閘管投切電容進(jìn)行無(wú)功補償要求具有零電壓導通、零電流關(guān)斷的特點(diǎn)，以實(shí)現快速無(wú)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(wǎng)電壓與電容器預充電電壓相等的時(shí)刻，在投入過(guò)程中沒(méi)有沖擊電流和過(guò)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(fā)脈沖信號后，晶閘管在電流過(guò)零時(shí)完成。這樣電容器可以任意頻繁的投切，不會(huì )產(chǎn)生浪涌電流，不會(huì )對電容器及電子開(kāi)關(guān)等器件造成損傷，延長(cháng)了電容器、晶閘管模塊的使用壽命。

根據國標GB50227－2017<<并聯(lián)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(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，電抗率宜采用5%；當并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜采用12%……因為一旦發(fā)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(shí)甚至導致低壓配電系統的崩潰。在常規的電容補償柜中沒(méi)有安裝解調電抗器，電容器的使用壽命短甚至發(fā)生爆裂與其都有一定的關(guān)系。

汽車(chē)焊接車(chē)間選用的大部分是單相焊機，會(huì )產(chǎn)生大量的3次諧波，應該串聯(lián)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(wǎng)產(chǎn)生的3次諧波并聯(lián)諧振。

3  汽車(chē)焊接車(chē)間多變壓器多母線(xiàn)環(huán)的接法

現在汽車(chē)焊接車(chē)間多采用多個(gè)變壓器多個(gè)母線(xiàn)環(huán)的配電方式，在工程實(shí)踐中我們需要確定的是：

1. 動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)補償CT的采樣點(diǎn)，是在變壓器下面還是從負載母線(xiàn)上；
3. 動(dòng)態(tài)補償容量的確定，特別是汽車(chē)焊接的無(wú)功需求比較大。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的主要作用是穩定電壓、消除閃變，汽車(chē)焊接車(chē)間尤其是如此，因此動(dòng)態(tài)補償最好的方式是對于負載進(jìn)行快速跟蹤，但是汽車(chē)焊接車(chē)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(dòng)態(tài)補償并聯(lián)在每一個(gè)焊機側。因此一般工程案例都是在變壓器側進(jìn)行電流信號采集，CT的采樣點(diǎn)都是接在變壓器的出線(xiàn)柜，動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的位置也在變壓器出線(xiàn)柜的旁邊，圖2所示這個(gè)工廠(chǎng)是3變壓器3母線(xiàn)環(huán)。

圖2 焊接車(chē)間3變壓器3母線(xiàn)環(huán)的接線(xiàn)

也有工程案例采用在焊接母線(xiàn)環(huán)內采集負載電流的方式，圖3所示這個(gè)工廠(chǎng)是3變壓器2母線(xiàn)環(huán)，在每個(gè)環(huán)中放了一套動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，在每一個(gè)母線(xiàn)環(huán)中間割斷分別取兩組CT的電流信號，并通過(guò)一個(gè)合CT連接到控制器，在工程實(shí)踐中要求2個(gè)CT的采樣點(diǎn)盡量靠近環(huán)的電源側，以能夠采集到更多焊機的電流，動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的位置也可以在車(chē)間平臺上。

圖3 焊接車(chē)間3變壓器2母線(xiàn)環(huán)的接線(xiàn)

汽車(chē)焊接車(chē)間的設備是短時(shí)工作制，安裝的全部焊機容量和瞬時(shí)工作的焊機容量之間也有一個(gè)百分比的關(guān)系，目前依據《工業(yè)與民用配電設計手冊》，點(diǎn)焊機選用的負荷需要系數是0.35，但是在不同的生產(chǎn)流水線(xiàn)、不同的同時(shí)焊接時(shí)間，焊機的沖擊電流是不一樣的，因此動(dòng)態(tài)補償容量的設計要考慮到生產(chǎn)線(xiàn)輸送方式的影響。

汽車(chē)焊接會(huì )導致很大的電壓波動(dòng)和跌落，動(dòng)態(tài)補償的容量又和電壓成平方關(guān)系，比如電壓跌到0.9、動(dòng)態(tài)補償的容量就跌到了0.81，考慮到電壓跌落的影響動(dòng)態(tài)補償的容量設計要大一點(diǎn)，我們一般也會(huì )考慮到最大尖峰時(shí)刻的無(wú)功容量需求，再考慮到焊接無(wú)功需求一般是瞬間同時(shí)發(fā)生，電容器的分組也可不必追求過(guò)細。在本文也提供了一個(gè)現場(chǎng)的測試案例，可以看到汽車(chē)焊接車(chē)間節拍工作制下對無(wú)功容量的需求。

有的汽車(chē)工廠(chǎng)隨著(zhù)產(chǎn)量的提高，在原有的生產(chǎn)線(xiàn)上不斷增加焊接設備，希望通過(guò)提高變壓器的使用率和加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補償來(lái)提高帶負荷能力。我們的建議是應該在焊接車(chē)間的工藝設計、特別是生產(chǎn)線(xiàn)的設備平衡進(jìn)行協(xié)調，如果有功電流的加大用變壓器的過(guò)載來(lái)解決、無(wú)功電流的加大用動(dòng)態(tài)無(wú)功補償來(lái)解決，變壓器和動(dòng)態(tài)補償一直處于高負荷的使用狀態(tài)，設備有了故障或需要檢修，反過(guò)來(lái)會(huì )影響車(chē)間的生產(chǎn)。

汽車(chē)焊接車(chē)間因為是多個(gè)變壓器并聯(lián)、變壓器下的各個(gè)環(huán)都是連在一起的，根據在現場(chǎng)經(jīng)驗在某一個(gè)變壓器的環(huán)下加裝動(dòng)態(tài)補償，其電流也可以流到其他變壓器的環(huán)，未加動(dòng)態(tài)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(gè)根據電流的流向來(lái)放置動(dòng)態(tài)補償柜的思路。

同時(shí)對于大容量的動(dòng)態(tài)補償系統，按容量分為主柜、輔柜幾個(gè)柜子，應該由一個(gè)控制器來(lái)控制。在一條母線(xiàn)上安裝幾套補償系統（每個(gè)柜子一個(gè)控制器）的話(huà)，會(huì )造成控制的不同步，導致實(shí)時(shí)補償精度的降低，甚至會(huì )加劇電壓波動(dòng)。

4、汽車(chē)焊接車(chē)間動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的效果測試

2013年5月我們對某中外合資汽車(chē)公司的焊接車(chē)間進(jìn)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(wú)功需求達到了1500kVar，現在選擇的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)無(wú)功補償的測試，無(wú)功需求的尖峰值比較大

圖5 

使用正確的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，投入補償—切除補償—投入補償

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

5、結束語(yǔ)

汽車(chē)焊接車(chē)間的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償可以提高配電系統的電能質(zhì)量水平，選用三角型內接法的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償進(jìn)行5-20ms投切全部電容器組，采用晶閘管過(guò)零投切和串聯(lián)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(chǎn)效率和焊接質(zhì)量都是有很大的幫助。