韓瑞東，王勝斌，牛 明

(1.山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000;2.哈爾濱特通電氣有限公司，哈爾濱 150069;2.哈爾濱特通電氣有限公司，哈爾濱 150069)

眾所周知，現(xiàn)在很多的制造型企業(yè)都存在相當數(shù)量的大功率點焊機，該負荷的特點是:速度快、沖擊大、持續(xù)時間短、功率因數(shù)低、含有大量的無功功率及少量的諧波，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不良影響。因此點焊機的電能質(zhì)量問題成為現(xiàn)在電力系統(tǒng)中亟待解決的問題之一。

1 使用點焊機企業(yè)的負荷特點

(1)點焊機動作速度極快，焊接持續(xù)時間為幾百毫秒，焊接間隔為幾秒，焊接的頻率大。

(2)點焊機在焊接過程中焊接電流非常大，根據(jù)焊接材料的不同，焊接電流瞬間可以從零安培達到幾千安培，因此，對電網(wǎng)和其他設(shè)備的沖擊都非常大。

(3)點焊機的焊接過程中產(chǎn)生大量的無功功率，因此其功率因數(shù)偏低，無功功率巨大。累積起來平均功率因數(shù)偏低，會產(chǎn)生較高的力率電費。

2 點焊機無功補償?shù)姆椒?/h2>

點焊機由于其自身動作速度極快、沖擊電流大和無功功率大等特點，要求補償設(shè)備能夠適應(yīng)其特點達到良好的補償效果，下面是普通補償設(shè)備無法滿足補償要求的幾點主要原因。

(1)控制器跟蹤速度慢。

普通的補償設(shè)備控制器動作的速度慢，無法跟蹤點焊機這種動作速度快、持續(xù)時間短的負荷(點焊機焊接持續(xù)時間為150 ms～200 ms，焊接間隔為1.5 s～2 s)。響應(yīng)速度趕不上負載的變化，系統(tǒng)功率因數(shù)總是處于欠補償或處于過補償狀態(tài)。

(2)投切開關(guān)速度慢、涌流大。

普通補償裝置使用的交流接觸器，使用交流接觸器響應(yīng)速度慢，交流接觸器的響應(yīng)速度基本在100 ms。并對電容器投切會產(chǎn)生很大的浪涌和脈沖過電壓，導(dǎo)致絕緣擊穿或接觸器觸頭燒損，造成接觸器損壞。

(3)單組容量小。

普通補償裝置使用的交流接觸器，由于其通流能力的限制，每一組的補償容量都很小，基本在60 kvar以下，無法達到補償效果。如果分組投入，由于焊接持續(xù)時間過短，所有的補償容量沒有全部投入，焊接過程就已經(jīng)結(jié)束了。

根據(jù)點焊機的負荷特性，采用快速TSC動態(tài)無功補償裝置的補償方案，既解決接觸器投切速度慢、單組容量小的問題，又能夠解決有源電力濾波器容量大、設(shè)備投資高的問題。屬于性價比最高的補償方式，TSC補償設(shè)備的主要特點見表1。

表1 TSC補償設(shè)備的特點

根據(jù)多年的補償經(jīng)驗，在TSC補償設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)點焊機負荷的自身特點提出了獨特的解決方案。具體措施如下:

設(shè)備自投產(chǎn)以來，一直在穩(wěn)定運行。根據(jù)目前了解的情況，未發(fā)現(xiàn)國外有同類產(chǎn)品；在國內(nèi)，只有我廠一車間有類似的產(chǎn)品。兩相比較，此次研制的銀陽極澆鑄機結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，性能更優(yōu)異，主要體現(xiàn)在：回轉(zhuǎn)盤只需在原地回轉(zhuǎn)，不需移動和升降，其它動作機構(gòu)疊加在一起，顯得更加協(xié)調(diào)和緊湊；澆鑄過程更平穩(wěn)，升降機構(gòu)運行平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)裝置運行平穩(wěn)，對澆鑄非常有利。工業(yè)無線控制遙控器防護等級IP65，信號穩(wěn)定，在澆鑄過程中可以更加便捷地進行操作。

(1)控制器的跟蹤補償?shù)乃俣瓤臁?/p>

通常的交流有效值計算是在一個工頻周期內(nèi)完成的，除去數(shù)據(jù)傳輸中的耗時，至少也有20 ms延時，單單在檢測這個環(huán)節(jié)就需要20 ms，這是不能滿足點焊機(焊接時間為200 ms左右)補償?shù)目焖傩砸蟮?。我公司依?jù)系統(tǒng)的特征，實時的去檢測物理量，摒棄傳統(tǒng)檢測的周期概念，采用改進的檢測方法，從而提高了檢測處理的快速性和連續(xù)性。補償裝置從電網(wǎng)檢測、數(shù)據(jù)處理運算直至投切電容器組實現(xiàn)無功補償，總的響應(yīng)時間≤20 ms。

(2)單步補償一步到位。

由于點焊機的焊接無功電流一般達到上千安培，因此，補償裝置的單步的補償容量要求很大可以達到幾百千伏，為了滿足通態(tài)電流的要求，采用多組投切開關(guān)并聯(lián)的方式，提高TSC補償裝置的單步補償容量。

(3)電容器的放電速度快。

由于TSC采用的是過零投切電容器組，因此，快速檢測過零就是裝置動作快速性的又一個硬性指標，點焊機兩次焊接之間的的工作間隔只有2 S左右，因此，選用精確計算的放電方式，通過計算確保在1 S內(nèi)將電容器的電壓降到電網(wǎng)的峰值以下，確保投切開關(guān)能夠在2S內(nèi)檢測到過零電壓使其符合投切條件。

3 TSC在點焊機場合中的應(yīng)用

3.1 某點焊機應(yīng)用企業(yè)的實際負荷情況

某電站設(shè)備有限公司是制造各種電站鍋爐和工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)廠。因此，用到大量的焊接設(shè)備該廠包括大功率點焊機、吊車、空壓機、以及可移動的氬弧焊機和氣保焊機等負荷。這些負荷的特點是:變化速度快、沖擊大、持續(xù)時間短、功率因數(shù)低、三相不平衡、含有大量的無功功率及少量的諧波。以某電站設(shè)備有限公司焊接車間內(nèi)1#變壓器，2#變壓器為例，通過測量變壓器出口的電壓以及電流來確定補償方案。

(1)三相點焊機工作數(shù)據(jù)測試情況。

表2 1#變壓器及其負荷情況表

圖1 1#變壓器點焊機工作過程的電壓(CH1)和電流(CH2)波形

如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，在焊接同一型號鋼管時，其負荷的變化規(guī)律基本一致。穩(wěn)定基礎(chǔ)電流大約為360 A;焊接時電流大約為920 A，持續(xù)時間大約在150 ms左右，工作間隔2 s。

通過現(xiàn)場對800 kVA(1#變壓器)的測試，無論在焊接時，停焊階段其負荷的功率因數(shù)基本穩(wěn)定在0.7左右。系統(tǒng)中諧波的含量并不高，2%左右，同時5次諧波的含量也很小。

(2)單相點焊機工作數(shù)據(jù)測試情況。

圖2 1#變壓器點焊機連續(xù)工作的電流波形

2#變壓器及其負荷情況表見表3。

表3 2#變壓器及其負荷情況表

圖3 2#變壓器點焊機工作過程的電壓(CH1)和電流(CH2)波形

2#變壓器接了一個掛在AC上的單相點焊機，圖3可以反映點焊機工作的電流分布。與1#變壓器帶的點焊機工作的狀態(tài)基本一致，由圖4可以看出，在焊接同一型號鋼管時，其負荷的變化規(guī)律基本一致。穩(wěn)定電流大約為280 A(三相);焊接電流大約為1690 A(單相)，持續(xù)時間大約在200 ms左右，工作間隔2s。

圖4 2#變壓器點焊機連續(xù)工作的電流波形

通過測試，無論在焊接時，還是停焊階段其負荷的功率因數(shù)基本穩(wěn)定在0.54左右。系統(tǒng)中電壓諧波畸變率在2%左右，同時5次諧波的含量也很小，因此，可以選用6%的電抗器就可以達到抑制和治理諧波的目的。

由于焊機為單相焊機，因此負荷為嚴重的三相不平衡負荷，必須對不平衡負荷進行分相補償，以提高整體的功率因數(shù)，并穩(wěn)定三相不平衡的電壓值。

3.2 針對于該企業(yè)的TSC補償方案

通過對以上測試數(shù)據(jù)的分析分別對1#、2#變壓器采用TSC補償方案。

(1)1#變壓器點焊機補償方案如下:

由于點焊是斷續(xù)過程，因此按照基礎(chǔ)和快速分開控制的模式進行補償，其安裝容量為345 kvar，穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷的安裝容量為165 kvar;點焊機快速負荷的安裝容量為180 kvar的雙柜，用以滿足月平均功率因數(shù)的要求。見表4。

表4 補償容量估算

采用點焊快速負荷與穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷分開補償，并且采用雙控制模式，點焊機快速負荷采用快速補償控制模式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷采用常速補償控制模式。點焊機快速負荷采用大容量單組三相共補的補償方式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷采用分級三相共補的補償方式。

(2)2#變壓器點焊機補償方案如下:

這個變壓器所帶的負荷是AC相的單相焊機負荷，并且由于點焊是斷續(xù)過程，因此，按照基礎(chǔ)和快速單相分開控制的模式進行補償，其安裝容量為435 kvar，穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷的安裝容量為165 kvar;單相點焊機快速負荷的安裝容量為270 kvar的雙柜，用以滿足月平均功率因數(shù)的要求見表5。

表5 補償容量估算

采用點焊快速負荷與穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷分開補償，并且采用雙控制模式，點焊機快速負荷采用快速補償控制模式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷采用常速補償控制模式。點焊機快速負荷采用大容量單組單相分補的就地補償方式;穩(wěn)定基礎(chǔ)負荷采用分級三相共補的補償方式。

3.3 TSC補償方案的效果

通過對某電站設(shè)備有限公司的焊接車間功率因數(shù)的前后對比(補償前的平均功率因數(shù)基本在0.77左右，補償后功率因數(shù)基本在0.95左右)，可以看出我公司設(shè)計制造的TSC無功補償裝置完全能夠滿足點焊機無功補償?shù)目焖傩院痛笕萘康奶攸c，補償后的功率因數(shù)完全滿足國家標準，同時，在有的生產(chǎn)繁忙月份還會出現(xiàn)力率電費的獎勵。如圖5和圖6所示。

圖5 補償前功率因數(shù)的變化曲線

圖6 補償后功率因數(shù)的變化曲線

4 結(jié)束語

在制造業(yè)飛速發(fā)展的現(xiàn)在，隨著電能質(zhì)量問題在點焊機行業(yè)中凸顯，嚴重影響了該行業(yè)的發(fā)展，因此采用更加科學(xué)可靠的電能治理方案是現(xiàn)在亟待解決的問題，特別是在有點焊機存在機械制造行業(yè)相對集中的地區(qū)尤為重要，相信在不遠的將來，TSC補償技術(shù)能夠廣泛的應(yīng)用在該補償領(lǐng)域，并且更加安全高效的補償方案會隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生，為工業(yè)的發(fā)展提供更高效安全的電能治理方案。

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