测量装置

汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方

发布时间:2023/3/28 18:02:47   
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张培安科瑞电气股份有限公司上海嘉定摘要:当今的汽车制造业,所使用的机械设备越来越精密,制造技术与自动化程度也在不断提高,这就需要对电力系统的电能质量提出更高的要求。本文通过对汽车生产中的冲压、焊接、涂装、总装工艺等方面的谐波、低功率因数、电压波动、闪变、三相不均衡等方面的问题,结合工程实例,给出了系统的解决办法,并给出了相应的处理结果。关键词:汽车制造行业;非线性负载;电能质量监测与治理;系统解决方案;0.引言?电能质量是影响发电、供电、用等各方面利益的重要指标。在科学技术的发展和发展中,冲击性、非线性负载的日益增多,特别是在电力电子设备的使用中,引起了大量的电能质量问题,如谐波、电压波动、闪变、三相不均衡等。汽车工业的电能质量问题,在汽车工业,其主要体现在冲压、焊接、涂装、总装等方面。整个生产过程之间的联系非常紧密,并且具有很强的集成性,因此需要更高的电力品质。而在生产过程中,供电故障、电气事故都将直接影响前一工序或下一工序的运行。因此,对电网的谐波进行治理,改善电力品质,营造安全、稳定、高效、健康的绿色能源环境,一直是我国电力工业的重要课题。1.汽车制造行业供配电系统谐波源及其危害?在汽车工业中,电力供应与分配系统的谐波源可分为四大类:冲压设备、焊接设备、涂装设备和装配设备。1.1冲孔装置1.1.1冲压机供电状况汽车车身冲裁是汽车生产工艺中的一个关键环节,大量采用数控冲床、等离子切割机床、多工位冲床等大型机械。由于直流电机是典型的谐波源和冲击负载,所产生的谐波不但会引起母线电压的波动,而且会降低设备的功率因数,从而导致电压、电流波形畸变,从而导致电力系统的整体无功损失。主要是因为冲击负荷,导致系统的功率因数较低,导致系统电压下降,谐波电流占设备总电流30%左右,谐波频率根据系统负荷的变化而变化,谐波频率主要为5~7次。

1.1.2生产过程中的危险由于电压过高、过流、欠压等原因,造成冲压设备过压、过流、过压,或因欠压而造成压力不够、冲压不到位、造成产品报废等。谐波会增大系统的损失,增大系统的发热,造成噪音污染。长期在恶劣的电力环境下工作,不仅会缩短设备的使用寿命,还会对电容器的电容器造成损害。冲击负载会导致电力供应系统失稳,出现电压闪变、瞬时电压下降等问题,导致部分装置无法正常工作。1.2焊接设备1.2.1焊接设备的用电现状汽车焊接主要应用于车身的生产,如:点焊、凸焊、 化碳保护焊、氩弧焊(现在广泛采用)。针对有涂层钢板、涂胶钢板、多层板和各种材料板的焊接,常规的工频点焊机很难适应这种焊接的需要,目前,点焊机已广泛用于汽车制造企业。中频点焊机的工作原理是:将工频交流电经过整流滤波后转化为直流电,然后由高能开关器件(FET-MOSFET或IGBT)交替切换,将直流电转换为数千赫兹至数万赫兹的中频AC,经过主变压器的降压,并经过整流滤波,得到稳定的直流输出电流。它的工作原理是:工频交流-直流-中频-AC-DC。在焊机工作中频点焊时,其工艺参数一般为~毫秒,焊接时间~毫秒,电流5~10kA,脉冲数1~20次,持续时间~毫秒。中频点焊机的工作频率高、工作周期短、电流转换频率高、电流变化大、功率因数低、无功、电压波动大、谐波电流大、三相电压不均衡等。1.2.2对制造工艺的危害点焊机是典型的单相冲击负荷,也是典型的谐波电源.由于焊接机采用了两相短路的原理,所以导致了很大的电流失衡,同时启动电流也会很大,导致电流过大,导致电源因数过低,导致系统的电压过低,谐波频率也会很高,可能会超过20%。由于谐波电流的存在,导致系统电压和电流失真,出现过压、欠压、过流等现象,严重时会造成保护设备的误动作,从而影响到正常的生产。同时,也会造成焊接质量不到位,虚焊、漏焊、误焊等问题,从而使产品质量不达标。此外,由于电网的谐波电流,致使中性线电流增加,中性线电缆的皮肤效应也随之增大,从而缩短电缆的使用寿命,甚至会造成电缆烧毁,危及电力系统的供电品质。

1.3涂装设备1.3.1涂装设备的用电现状涂装技术主要采用机械臂对车体和零件进行喷漆、烘干,通常采用电泳设备,与电镀相似。涂敷处理的主要负荷为功率电子装置和大型加热装置,采用整流与变频技术,在这个过程中会发生谐波,而加热装置采用高电阻元件。涂装车间电能质量主要表现为感性无功、整体功率因数低、谐波电流大、复杂、母线电压下降严重、设备发热大、利用率低等。电流畸变率在10%~25%,主要以5~7次谐波为主,包括偶次谐波和高次谐波。1.3.2生产过程中的危险谐波会增加油漆车间的设备损耗,增加主变铁损、铜损、介质损耗和电压峰值,从而增加变压器的噪声,降低变压器的负荷容量。谐波会造成涂装、涂装、运输等设备的误动作,造成涂装不均匀、运输不到位、涂装表面出现气泡、漏涂、打磨不到位、重复涂装等问题,对涂装质量造成很大的影响。当系统的无功损耗增大、母线电压降低、电压偏移、加热装置在一定时间内无法达到汽车烤漆表面的温度要求,从而导致烤制质量问题。1.4总装工艺1.4.1总装设备的用电现状装配工艺是将各个零件装配到装配好的车身上,整个装配过程主要由机械臂完成,而不是手工装配,它采用二极管,三极管,放大电路,整流桥,开关电源等,虽然单个谐波很少,但如果同时使用,将会对电力系统造成很大的影响,谐波数量多,以13次以下的谐波居多,以5~7次谐波最多,5次谐波最多。因此,对电力品质有较高的要求。1.4.2生产过程中的危险谐波会造成电流电压的畸变,致使PLC、单片机等在过零状态下的设备由于电压异常而引起误动作,从而造成提前或延时过零,从而影响整个指令的控制。同时,电压失真也会对电力电子设备的操作和精度产生一定的影响,从而导致操作失误。同时,谐波也会对电容器造成损伤,导致主控面板温度升高,从而缩短电器的寿命。1.5谐波的其他危害谐波除了影响电容器正常运行之外,还会对以下设备造成危害:?(1)变压器效应

谐波电流增大了变压器的铜损耗,尤其是3次及奇倍的谐波,变压器对三角形的线圈会产生环形电流,造成线圈过热;对于全星型变压器,如果绕组中线接地,且在此侧电网中存在大量的分布电容,或配有中性点地线的电容器,则会产生共振,从而增大变压器的附加损耗。(2)分配系统的作用随着频率的提高,线路的阻抗也随之增大,同时由于谐波电流的存在,电力系统中的主要损失是由变压器和线路引起的,因此,谐波是造成网损增多的主要原因。配电网的电感线和接地电容与产生谐波的装置构成串联或并联回路,在特定的参数下,会出现串联或并联共振现象,并且引起的共振过电压和过流对设备的危害很大。在合适的情况下,也可以产生谐波的放大。而谐波电压和电流放大则会造成继电器的误动作,甚至造成故障。(3)电动机设备的作用柴油机的内阻跟市电的内阻要大得多,而且由于非线性负荷的原因,产生的谐波会导致电压的畸变。会导致油泵的控制系统出现故障,从而引发电力事故。目前通讯机房断电后,通常都是靠水泵来供电,所以要引起人们的注意。(4)由于根据负序数(基波)整定的保护装置具有较小的整定值和较高的灵度,所以对继电器保护和自动化设备的正确性产生了影响。若在负序上加上电气化铁道、电弧炉等谐波干扰,会造成发电机负序电流保护的误动作,造成严重的后果。在系统中出现的莫名其妙的误动作和拒绝动作都与谐波有关。电网的谐波超标将对电网的安全、稳定运行构成严重的威胁。(5)对测量设备精度的影响该电能计量设备采用50赫兹标准正弦波,电源电压或负载电流中的谐波分量都会对感应电能表(特别是电子电能表)的工作产生一定的影响。当有谐波源时,所用电量计的记录应该是它所吸收的基波电能中的一小部分,因此,谐波能引起电能测量设备的错误。2.汽车制造行业电能质量治理需求分析及主要特征2.1需求分析随着汽车工业的自动化程度的提高,电力系统对电力系统的供电品质提出了更高的要求。由于变频技术在生产过程中的应用,导致了负载的非线性增加,从而产生了大量的谐波,从

而对电力系统的电压品质产生了很大的影响。同时,由于生产装置中的冲击载荷,会导致电网瞬间吸收大量的冲击式无功。采用高效的电力品质调节装置,改善电网的传输能力和品质,是目前亟待解决的问题。利用实时监测、动态补偿无功、无功补偿、无功补偿等方法,对保障供电质量、构建绿色电网、减少网络损耗有重要作用;同时,对于企业节约无用资源、节约成本、提高生产力、推动企业乃至整个国家经济发展都有着巨大的社会价值。2.2基本特点(1)新能源汽车的更新换代,行业前景良好,在全国范围内建厂或扩大;(2)属于中等规模的制造业,为了保障供电的正常生产和供电品质的提高;(3)负荷的多样性,冲压机是一种需要补偿的冲击载荷。其中,高频焊机和变频器是主要的谐波源,需要对其进行谐波处理。3.汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方案3.1解决方案??安科瑞电力公司所开发的电能质量监控与管理系统,能够很好地满足电力系统的监控管理、运维和电能品质管理等方面的要求,为广大汽车业的客户提供全方位的产品、系统和服务,为客户创造价值。通过对上述分析可知,在汽车工业中,存在着大量的谐波畸变率、低功率因数、三相不均衡等问题。然后我们就能针对工厂的条件对治理进行分析。冲床:以冲击负荷为主,会引起功率因数不足,使系统电压过低。在冲击负荷下,伴随着冲击电流的同时也会出现局部谐波,但主要以5~7次谐波为主;利用有源无功补偿器,可以迅速地对无功进行补偿,并在一定的余量条件下,对2~13次谐波进行补偿。焊接车间:以中频焊机为主,由于采用了两相短路的原理,会出现严重的电流失衡现象,同时会产生大量的起动电流,从而导致电源因数降低,从而导致系统的电压降低,同时也会产生大量的谐波,而且电压的畸变率也会很高,一般在20%左右。所以,在无功补偿中,可以采用无功补偿,治理三相不均衡;此外,为了治理谐波,还需要分别设置有源谐波治理设备。涂装及总装车间:主要负荷是整流型、变频型,变频器通常是电容型的,其自身的功率因数比较高,但在使用时会有一定的谐波,其中以6N±1次谐波为主,故可以采用有源谐

波处理装置来进行谐波处理。3.2方案特点??(1)除了作为一个局域终端,对用户进行电能质量监测、治理和设备维护之外,还可以通过AcrelEMS-EV汽车生产的综合能源效率管理平台,实现对用户的远程在线服务;(2)电能品质的全控制;(3)电力品质的专业化监控:电力品质的实时在线监控,精度高,测量精度高,满足IEC60-4-30要求;(4)电力品质监控及治理设备的总体设计,采用上层平台进行统一的管理和闭环的控制;(5)高质量的电能质量管理:所配套的电力电子器件技术过关,质量过硬,具有网络化、可调节、快速响应等特点;(6)电力管理业务的一体化协作:电力调度管理与运维、电能分析与电能质量信息的共享与协调,为电力供应和消费提供了有效的控制。3.3方案价值(1)对电力品质进行综合监控,确保电力供应的可靠性全面监控车辆生产和生产的供、配电线路的电气参数,保证其供电质量达到规范。微秒级的故障录波和SOE报警可以实时地将所有的数据信息记录下来,从而为故障的跟踪和定位提供了有力的支撑。(2)全面的电力品质管理采用“集中+现场”一体化的电力品质管理方式,更好地满足电网无功、电网谐波治理的需要,从而改善电力供应和电力供应系统的运行状况,降低对其他电力供应、生产设备的影响。(3)资料处理和附加业务该系统可为电力用户提供多角度的电力指标统计及电力数据分析工具,对电力市场的优化运营、节约能源等方面具有一定的参考价值。4.安科瑞电能质量监测与治理产品选型4.1集中治理为了降低谐波对电网的 ,保证无功功率因数符合国家标准,可以采取集中管理的方

法,并对整个低压供配电系统进行电能质量监测,包括谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等。4.2就地治理在汽车生产的各个生产车间,包括行车、液压机床、弧焊机、升降平台、同步升降平台等,其工作中难免会产生一些谐波,这些都会对电力系统造成一定的影响,其失真程度一般在30%以上。在生产车间,一般采用LED灯,金卤灯,无极灯,工业风扇,工业吊扇等,这些装置的谐波电流一般为3次,零序3次,三相向量角相同。这样N条线路就会重叠,使得N条线路的电流变得很大。根据以上负荷状况,提出了在各主要设备配电箱加装电能质量补偿装置,以实现最终控制谐波,同时不会对整个电力系统及其它用电设施造成影响。5.南京某汽车制造公司电能质量治理项目案例5.1项目背景南京某汽配厂的生产车间设备,近几年受到了谐波的影响,特别是在冲压、焊接等方面的应用,造成了工厂电力品质下降,变压器和电缆损耗增大,部分无功柜内电容器鼓起,无功需求增加,造成了功率因数偏低,同时其他电器设备的老化程度也在逐步增大,造成了各种电气故障。通过对1#室内配电室和2#室外箱体的实测资料进行了测试,并针对实测数据提出了相应的处理措施。5.2测量结果从以上实测结果可以看出,1#室内配电房和2#室外箱的无功功率系数分别为0.7、0.78,均低于国家规定的0.9。1#配电房所处供配电系统中的5次、7次、11次谐波电流值,远高于GB/T-《电能质量公用电网谐波》中0.38KV系统的次谐波和谐波电流值。为了消除诸如电焊机、焊机、冲压机等终端设备所引起的谐波效应和危害,可以采取有针对性的现场处理方法,从而实现精确的治理。5.3解决方案由于无功柜采用常规的无功补偿电容器,5、7次谐波电流很容易被注入到电容器中,引起共振,并增大谐波,损坏无功柜。方案一:集中处理:建议配电房采用无功补偿,因为当负荷电流变化较快,电网电压、

电流畸变率较高时,无功补偿装置不能迅速响应,且极易发生共振,使电容器和开关损坏,故推荐采用AnCos-GI型无功补偿器。此外,增设AnSin-GI型有源谐波治理系统,以降低电网、变压器及供配电系统的谐波,提高电力系统的电压、电流稳定性,提高电网的综合效能。方案二:现场治理:建议在楼层配电房或电焊机、焊机、冲压机(负荷变化快、畸变率大)的末端安装AnSinI有源谐波治理设备,可以对2~31次谐波进行完全补偿或对某一次谐波进行补偿,以实现终端治理谐波。6.结论?当前,汽车生产中主要使用的是电力电子的变流器及控制装置,使得生产车间内的各种非线性生产设备的负载类型、数量急剧增多,同时谐波污染日益严重,对生产和配电系统造成了极大的威胁。但是,由于谐波引起的内部损耗、异常发热、设备故障、寿命缩短等,导致了大量的直接和间接经济损失。安科瑞公司针对汽车生产企业生产过程中的供电质量问题进行了分析,提出了一种针对汽车生产企业的电力污染监控和治理体系。作者:安科瑞张培————(同V)



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