汽车制造行业电能质量监测与治理系统解决方案

摘要：现如今的汽车制造行业，使用的机械设备越来越精密，制造技术与自动化水平也越来越高，为此对供电系统的电能质量要求更高更苛刻，同时对不能满足现有生产工艺需求的供电质量进行治理。通过分析汽车制造过程中冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺产生的谐波、功率因数低、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题，结合实际项目治理案例，介绍了系统解决方案，并对取得治理效果进行展示分析。

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

  电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益。随着科技的进步与发展，冲击性、非线性的负载越来越多，尤其是电力电子器件的应用，使得谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题尤为严重。汽车行业的电能质量问题，主要体现在汽车制造业中，而在汽车制造业中，主要体现在冲压、焊接、涂装、总装生产工艺。整个汽车制造流程紧密衔接，具有高度集成的特点，对电能质量的要求相对较高。而任何一个制造工艺的供电故障、电气事故都会影响到上一个工艺或下一个工艺的正常运作。因此，治理谐波，提高电能质量，营造安全、稳定、高效、健康的绿色电能质量环境问题是汽车制造行业的配电中非常重视的问题。

1.汽车制造行业供配电系统谐波源及其危害

  汽车制造行业供配电系统中的谐波源主要可分为冲压设备、焊接设备、涂装设备以及总装设备四大类，具有畸变率高、功率因数低、种类杂、数量多等特点。

1.1冲压设备 

1.1.1冲压设备的用电现状

  汽车车身冲压成形是汽车制造技术的重要组成部分，其中大量使用数控冲床、等离子切割机床、多工位冲压机床等大型设备。这些设备普遍采用直流电动机，是典型的谐波源及冲击性负荷，产生的谐波不仅造成母线电压波动，使设备无法运行，还会使系统功率因数降低，电压、电流波形严重畸变，增加系统的无功功率损耗，影响整个供电系统。主要是冲击性负载，会引起功率因数很低，造成系统电压会偏低的情况，同时会伴随一些谐波，谐波电流约占设备全部开启后系统电流30%，谐波电压会随着系统负载的不同在7%-10%变动状况，但是主要还是5、7次谐波。

1.1.2对制造工艺的危害

  谐波导致过压、过流、欠压等电能质量问题，会使冲压设备因过压、过流而出现过负荷的冲压，或因欠压而导致压力不够、冲压不到位，出现产品报废等现象。谐波使系统损耗增加，增加系统的发热量和噪声污染。长时间工作在不良电能环境中，会降低设备寿命，损坏电容补偿装置。冲击性负荷会使供电系统不稳定，造成严重的电压闪变、瞬时电压降低等现象，使某些设备停止运行。

1.2焊接设备 

1.2.1焊接设备的用电现状

  汽车焊接主要用于车身的制造，有点焊、凸焊、二氧化碳保护焊和氩弧焊等多种方式（目前大量使用焊接机器人）。对于带涂层的钢板、涂胶的钢板、多层板及不同材质板等条件下的焊接，传统的工频点焊机难以满足焊接要求，中频点焊机在越来越多的汽车生产企业得到应用。中频点焊机工作原理：工频交流电经整流、滤波后变成直流电，再通过大功率开关电子元件（如场效应管MOSFET或IGBT）的交替开关作用，把直流电逆变成几千赫兹到几万赫兹的中频交流电压，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。其工作过程简单表示为：工频交流-直流-中频交流-直流。焊机工作中频点焊时，焊接参数大概为预压时间400ms～800ms，焊接时间200ms～450ms，焊接电流高达5～10kA，焊接脉冲数为1～20次，保持时间100ms～300ms。中频点焊机工作频繁，工作周期短，电流变换频率高，主要表现为瞬时突变电流，功率因数低、无功和电压波动较大、谐波电流和电压较大、三相电压不平衡严重等。

1.2.2对制造工艺的危害

  点焊机是典型的单相冲击性负载，也是典型的谐波源。因为焊机是两相短路原理，会造成严重的电流不平衡的情况，同时启动电流会很大，造成较大的冲击性电流，功率因数会很低，甚至会造成系统电压偏低的情况，同时会产生很大的谐波，并且谐波畸变率会比较高，估计会达到20%以上。谐波电流使得系统的电压电流发生畸变，出现过压、欠压、过流，甚至引起保护装置误动，影响正常生产。还会造成焊件质量不到位、虚焊、漏焊、误焊等隐患，导致产品不合格。另外，谐波电流使设备无法正常运行，导致中性线电流增大、中性线电缆的肌肤效应相应增大，降低电缆使用寿命，严重时会烧毁电缆，威胁整个系统的电能质量。

1.3涂装设备

1.3.1涂装设备的用电现状

  涂装工艺主要是通过机械手对焊接成形的车身及零部件进行喷涂和烘烤，一般会涉及到电泳设备，类似电镀。涂装工艺的主要负载是电力电子器件和大容量的加热设备，这些设备应用整流及变频原理制造，在此过程中会产生谐波，而加热设备则使用电阻较大的器件。涂装车间的电能质量表现为感性无功较大、整体功率因数低、谐波电流大而复杂，系统母线端电压降低严重，设备发热量大以及利用率低。电流畸变率在10%-25%之间，以５次、７次谐波为主、包括一些偶次及高次谐波的特征

1.3.2对制造工艺的危害

  谐波会使涂装车间的设备损耗增加，使主变的铁损、铜损、介质损耗、电压峰值增加，变压器噪声变大，变压器的负载能力减小。谐波会使涂装、喷漆、运送等设备出现误动，导致喷漆不均匀，运送不到位，在涂装表面出现气泡、漏涂、打磨不到位、重复涂装等缺陷，严重影响产品的涂装质量。由于系统无功消耗增加，母线电压下降，电压发生偏差，而加热设备会因电压过低，在规定的时间内达不到烘烤汽车表面涂层温度标准，出现烘烤质量问题。

1.4总装工艺

1.4.1总装设备的用电现状

  总装工艺是把各零部件安装到焊接好并经过涂装后的车身上，总装工艺过程主要是利用机器人代替人工进行自动组装，其程序控制是利用二极管、三极管、 放大电路、整流桥、开关电源等电子元件，这些器件单个产生的谐波虽小，但大量集成使用会对供电系统造成严重影响，产生大量谐波，主要是13次以下的谐波，以5、7次谐波为主，其中5次谐波最为严重。因此，这些设备对电能质量的要求很高。

1.4.2对制造工艺的危害

  谐波会使电流电压畸变，使得处于过零运行的PLC、单片机等器件因电压异常而引发误动，导致过早或延迟过零，影响到整体的指令控制。电压畸变还会影响电力电子器件的动作及精度，造成机械手误动。谐波还会损害电容器，使主控制板温度增加，降低电子元件的使用寿命。

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)对变压器的影响

  谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及奇倍数谐波，对三角形连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成谐振，使变压器附加损耗增加。

  (2)对配电线路的影响

  线路阻抗随着频率的升高而增加，谐波电流使线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗，所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素。线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路，在一定的参数条件下，会发生串联谐振或并联谐振，而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大。在适当的条件下还会形成谐波放大。而谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏。

  (3)对电机装置的影响

  柴油发电机的内阻跟市电相比大了很多，非线性负载产生的谐波的电流引起的电压畸变就大很多，造成油机输出电压严重失真。可能造成油机的控制系统故障，引起用电事故。现在的通信机房停电时一般都由油机提供备电，因此要重视这个问题。

  (4)影响继电保护和自动装置的正确性，谐波影响以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰(电气化铁道、电弧炉等)则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后果。系统中不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。

  （5）影响计量装置的准确性

  电能计量装置按50Hz标准的正弦波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表（尤其是电子式电能表）的正常工作。有谐波源存在时，该处用户的电能表的记录应为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能，故谐波能使电能计量装置产生误差。

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

  汽车行业自动化水平在不断提高，各种生产设备对电网的供电质量要求也越来越高。工艺设备中由于采用变频技术使得非线性负荷数量增长，非线性负荷会产大量的谐波注入电网严重影响电网电压质量；同时生产设备中冲击性负荷的存在，使得瞬时从电力系统吸收大量的冲击性无功功率。应用有效的电能质量的调控设备，在现有网架结构的基础上，提高输电容量和质量成为当前迫切需要解决的问题。采用快速、灵活，实时监测、动态补偿无功功率和有源滤波装置，对保证供电能质量，建设绿色电网，降低网损具有重大意义；也对工业企业减少不必要的浪费，降低成本，提高生产率，促进企业和整个国民经济的发展，具有不可估量的社会意义。

2.2主要特征

  （1）新能源汽车改朝换代，行业市场前景好，各地建厂或扩建；

  （2）属于中端制造业，为保证正常生产配电电能质量要求较高；

  （3）负载多样化，冲压机为冲击性负载，需进行补偿。中频焊机、变频器是主要谐波源，需进行谐波治理。

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

  安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为汽车制造行业用户提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。

  经过以上分析可以知道，在汽车制造行业中容易产生谐波畸变率大、功率因数偏低、三相不平衡严重等问题。那么我们可以根据车间情况进行分析治理方案。

  冲压车间：主要是冲击性负载，会导致功率因数偏低问题，从而造成系统电压偏低的情况。冲击负载运行过程中伴有冲击电流同时会产生部分谐波，但是主要以5、7次谐波为主；因此可通过安装有源无功补偿装置进行快速的补偿无功，同时补偿装置在满足裕量充足的情况下可以用来补偿2~13次谐波。

  焊接车间：主要是中频焊机，焊机是两相短路原理，会造成严重的电流不平衡的情况，同时启动电流会很大，造成较大的冲击性电流，导致功率因数偏低，甚至会造成系统电压偏低的情况，同时会产生较大的谐波，并且电压谐波畸变率会比较高，估计会达到20%以上（国标要求不超过5%）。因此可通过安装有源无功补偿装置补偿无功、治理三相不平衡；另外需单独安装有源谐波治理装置来治理谐波。

涂装和总装车间：负载主要整流变频设备，变频设备一般为容性负载，本身功率因数较高，但运行过程会产生部分谐波，主要以6N±1次谐波为主，因此可安装有源谐波治理装置进行谐波治理。

3.2方案特点

  （1）电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS-EV汽车制造综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；

  （2）全控技术实现电能质量；

  （3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；

  （4）电能质量监测与治理装置整体设计，通过上位平台实现统一管理和闭环控制；

  （5）高品质电能质量治理：配套电力电子装置技术过关、质量过硬，具备网络化、可调控、快速响应的性能；

  （6）电能管理务业务综合协同：配电监控管理与运维、电能分析与电能质量数据共享融通，为企业电能供给与消费提供控制手段。

3.3方案价值

  （1）全面监测电能质量，保障供电可靠性

对汽车生产制造的供配电回路的电气参数进行全面监测，确保设备用电符合标准要求。微秒级故障录波与SOE告警能够及时记录故障发生时全部数据信息，支持开展故障追踪与问题定位。

  （2）完整电能质量治理

通过集中+就地整体电能质量治理模式，更大程度满足无功和谐波治理的要求，提高整个汽车制造供配电系统的电能质量，减少对其它供电及制造设备造成危害。

  （3）数据应用及增值服务

系统提供多维度的用电指标统计与电能数据分析工具，为配电系统运行管理优化和节能降耗提供指导。

4.安科瑞电能质量监测与治理产品选型

4.1集中治理

  针对汽车制造行业配电系统中涉及到的空调、风机、电动机、水泵等电器设备及数量较多的计算机等网络通信设备，为减少谐波对电网侧的危害，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，可采用配电房集中治理的方式，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表1。

表1电能质量监测及集中治理产品选型表

4.2就地治理

  汽车制造各个生产车间内，包含了行车、液压机床、弧焊机、升降平台、同步举升机等各种设备，运行过程中不可避免地产生对整个配电系统有影响的谐波，通常电流畸变率在30%左右。同时，在车间通常选用LED日光灯、金卤灯、无极灯、工业风扇、工业吊扇等设备，此类设备的谐波电流通常以3次谐波为主，3次谐波电流作为零序电流，三相矢量角度也是一致的。因此N线会进行叠加，致使N线的电流过大。针对上述负载情况，建议在各个重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，以达到终端治理谐波的目的，避免影响到整个配电系统的和其他的用电设备，末端治理的产品选型见表2。

表2末端治理产品选型表

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

  南京某汽车制造商车间设备近年来受谐波影响，尤其冲压和焊接设备大量使用，导致厂区电能质量较差，变压器及线缆的损耗增加，现场有个别无功柜内电容器鼓包损坏，无功需量增加，导致功率因数过低，同时其它电气设备的老化程度明显损耗逐渐上升，出现各种电气故障。分别对厂区1#室内配电房以及2#户外箱进行数据测试，并根据具体测量数据给出相应的治理方案。

5.2测量结果

测量数据

  由上述测量数据可看出，1#室内配电房和2#户外箱无功功率因数分别为0.7和0.78，低于国家要求的0.9的标准。1#室内配电房所在的供配电系统中5次、7次和11次谐波电流值远远超过了国家GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》0.38KV系统各次谐波及谐波电流值标准，现场负载设备主要为电动机、变频器、冲压设备、焊接设备、涂装设备以及总装设备等，可通过在配电房集中治理，消除谐波电压/电流对整个供配电系统、变压器、无功柜和其它用电设备的影响；为了消除末端设备（例如电焊机、点焊机和冲压机等工业负载）产生的谐波影响及危害，可采用有针对性的就地治理解决方案，以至于达到准确治理的效果。

5.3解决方案

  由于系统中无功柜均为传统无源无功补偿电容器件，5次和7次谐波电流极易灌入电容柜中，与5其产生谐振现象，放大谐波电流，使无功柜受到损害，无功柜在谐波较大的场合建议改造，同时增加滤波装置，具体方案如下：

  方案一：集中治理：建议配电房更换无功柜，由于传统无源电容装置在负载电流快速变化时和电网电压、电流畸变率高时无法及时响应，同时极容易谐振，烧毁电容器和投切开关，因此建议选用AnCos-GⅠ型有源无功补偿装置进行无功补偿，该装置具备无极性补偿、毫秒级全响应时间及适合在负载快速变化场合的特点，同时是由IGBT构成的有源型补偿装置，不会谐振。另外增加AnSin-GⅠ型有源谐波治理系统装置进行集中谐波治理，减少谐波对电网、变压器及供配电系统的危害，改善供电系统电压和电流稳定性，提升系统的整体运行效率。

  方案二：就地治理：建议在楼层配电间或电焊机、点焊机和冲压机等工业负载（负载变比快、畸变率较高）末端加装AnSinⅠ型有源谐波治理装置，可对2-31次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿，达到终端治理谐波的目的。

6.结论

  目前汽车制造行业中的设备普遍采用的是电力电子变流和控制器件，致使车间的非线性制造设备负荷的种类和数量大幅度增加，谐波污染日趋严重，给配电系统和制造设备带来巨大危害。但车间的供配电系统谐波问题一直没得到足够重视，谐波造成的变压器内损和异常发热、设备故障、使用寿命缩短等直接和间接经济损失相当巨大。通过对汽车制造车间供配电系统电能质量进行研究，安科瑞为汽车制造行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使汽车制造行业的电能质量问题得到了有效的治理。