摘要：現(xiàn)如今的汽車制造行業(yè)，使用的機(jī)械設(shè)備越來越精密，制造技術(shù)與自動化水平也越來越高，為此對供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求更高更苛刻，同時(shí)對不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)工藝需求的供電質(zhì)量進(jìn)行治理。通過分析汽車制造過程中沖壓工藝、焊接工藝、功率因數(shù)低、電壓波動、閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目治理案例，介紹了系統(tǒng)解決方案，并對取得治理效果進(jìn)行展示分析。

關(guān)鍵詞：汽車制造行業(yè)；非線性負(fù)載；電能質(zhì)量監(jiān)測與治理；系統(tǒng)解決方案；

0.引言

電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，涉及發(fā)、供、用各方面的權(quán)益。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，沖擊性、非線性的負(fù)載越來越多，尤其是電力電子器件的應(yīng)用，使得諧波、電壓波動、閃變、三相不平衡等電能質(zhì)量問題尤為嚴(yán)重。整個(gè)汽車制造流程緊密銜接，具有高度集成的特點(diǎn)，對電能質(zhì)量的要求相對較高。而任何一個(gè)制造工藝的供電故障、電氣事故都會影響到上一個(gè)工藝或下一個(gè)工藝的正常運(yùn)作。因此，治理諧波，提高電能質(zhì)量，營造安全、穩(wěn)定、高效、健康的綠色電能質(zhì)量環(huán)境問題是汽車制造行業(yè)的配電中非常重視的問題。

1.汽車制造行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其危害

汽車制造行業(yè)供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為沖壓設(shè)備、焊接設(shè)備、涂裝設(shè)備以及總裝設(shè)備四大類，具有畸變率高、功率因數(shù)低、種類雜、數(shù)量多等特點(diǎn)。

1.1沖壓設(shè)備

1.1.1沖壓設(shè)備的用電現(xiàn)狀

汽車車身沖壓成形是汽車制造技術(shù)的重要組成部分，其中大量使用數(shù)控沖床、等離子切割機(jī)床、多工位沖壓機(jī)床等大型設(shè)備。這些設(shè)備普遍采用直流電動機(jī)，是典型的諧波源及沖擊性負(fù)荷，產(chǎn)生的諧波不僅造成母線電壓波動，使設(shè)備無法運(yùn)行，還會使系統(tǒng)功率因數(shù)降低，電壓、電流波形嚴(yán)重畸變，增加系統(tǒng)的無功功率損耗，影響整個(gè)供電系統(tǒng)。

1.1.2對制造工藝的危害

諧波導(dǎo)致過壓、過流、欠壓等電能質(zhì)量問題，會使沖壓設(shè)備因過壓、過流而出現(xiàn)過負(fù)荷的沖壓，或因欠壓而導(dǎo)致壓力不夠、沖壓不到位，出現(xiàn)產(chǎn)品報(bào)廢等現(xiàn)象。諧波使系統(tǒng)損耗增加，增加系統(tǒng)的發(fā)熱量和噪聲污染。長時(shí)間工作在不良電能環(huán)境中，會降低設(shè)備壽命，損壞電容補(bǔ)償裝置。沖擊性負(fù)荷會使供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，造成嚴(yán)重的電壓閃變、瞬時(shí)電壓降低等現(xiàn)象，使某些設(shè)備停止運(yùn)行。

1.2焊接設(shè)備

1.2.1焊接設(shè)備的用電現(xiàn)狀

汽車焊接主要用于車身的制造，有點(diǎn)焊、凸焊、二氧化碳保護(hù)焊和氬弧焊等多種方式（目前大量使用焊接機(jī)器人）。對于帶涂層的鋼板、涂膠的鋼板、多層板及不同材質(zhì)板等條件下的焊接，傳統(tǒng)的工頻點(diǎn)焊機(jī)難以滿足焊接要求，中頻點(diǎn)焊機(jī)在越來越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用。中頻點(diǎn)焊機(jī)工作原理：工頻交流電經(jīng)整流、濾波后變成直流電，再通過大功率開關(guān)電子元件（如場效應(yīng)管MOSFET或IGBT）的交替開關(guān)作用，把直流電逆變成幾千赫茲到幾萬赫茲的中頻交流電壓，經(jīng)主變壓器降壓后，再經(jīng)整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流。其工作過程簡單表示為：工頻交流-直流-中頻交流-直流。焊機(jī)工作中頻點(diǎn)焊時(shí)，焊接參數(shù)大概為預(yù)壓時(shí)間400ms～800ms，焊接時(shí)間200ms～450ms，焊接電流高達(dá)5～10kA，焊接脈沖數(shù)為1～20次，保持時(shí)間100ms～300ms。中頻點(diǎn)焊機(jī)工作頻繁，工作周期短，電流變換頻率高，主要表現(xiàn)為瞬時(shí)突變電流，功率因數(shù)低、無功和電壓波動較大、諧波電流和電壓較大、三相電壓不平衡嚴(yán)重等。

1.2.2對制造工藝的危害

點(diǎn)焊機(jī)是典型的單相沖擊性負(fù)載，也是典型的諧波源。因?yàn)楹笝C(jī)是兩相短路原理，會造成嚴(yán)重的電流不平衡的情況，同時(shí)啟動電流會很大，造成較大的沖擊性電流，功率因數(shù)會很低，甚至?xí)斐上到y(tǒng)電壓偏低的情況，同時(shí)會產(chǎn)生很大的諧波，并且諧波畸變率會比較高，估計(jì)會達(dá)到20%以上。諧波電流使得系統(tǒng)的電壓電流發(fā)生畸變，出現(xiàn)過壓、欠壓、過流，甚至引起保護(hù)裝置誤動，影響正常生產(chǎn)。

1.3涂裝設(shè)備

1.3.1涂裝設(shè)備的用電現(xiàn)狀

涂裝工藝主要是通過機(jī)械手對焊接成形的車身及零部件進(jìn)行噴涂和烘烤，一般會涉及到電泳設(shè)備，類似電鍍。涂裝工藝的主要負(fù)載是電力電子器件和大容量的加熱設(shè)備，這些設(shè)備應(yīng)用整流及變頻原理制造，在此過程中會產(chǎn)生諧波，而加熱設(shè)備則使用電阻較大的器件。涂裝車間的電能質(zhì)量表現(xiàn)為感性無功較大、整體功率因數(shù)低，系統(tǒng)母線端電壓降低嚴(yán)重，設(shè)備發(fā)熱量大以及利用率低。電流畸變率在10%-25%之間，以５次、７次諧波為主、包括一些偶次及高次諧波的特征

1.3.2對制造工藝的危害

諧波會使涂裝車間的設(shè)備損耗增加，使主變的鐵損、銅損、介質(zhì)損耗、電壓峰值增加，變壓器噪聲變大，變壓器的負(fù)載能力減小。由于系統(tǒng)無功消耗增加，母線電壓下降，電壓發(fā)生偏差，而加熱設(shè)備會因電壓過低，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到烘烤汽車表面涂層溫度標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)烘烤質(zhì)量問題。

1.4總裝工藝

1.4.1總裝設(shè)備的用電現(xiàn)狀

總裝工藝是把各零部件安裝到焊接好并經(jīng)過涂裝后的車身上，總裝工藝過程主要是利用機(jī)器人代替人工進(jìn)行自動組裝，其程序控制是利用二極管、三極管、 放大電路、整流橋、開關(guān)電源等電子元件，這些器件單個(gè)產(chǎn)生的諧波雖小，但大量集成使用會對供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，產(chǎn)生大量諧波，主要是13次以下的諧波，以5、7次諧波為主，其中5次諧波最為嚴(yán)重。因此，這些設(shè)備對電能質(zhì)量的要求很高。

1.4.2對制造工藝的危害

諧波會使電流電壓畸變，使得處于過零運(yùn)行的PLC、單片機(jī)等器件因電壓異常而引發(fā)誤動，導(dǎo)致過早或延遲過零，影響到整體的指令控制。電壓畸變還會影響電力電子器件的動作及精度，造成機(jī)械手誤動。諧波還會損害電容器，使主控制板溫度增加，降低電子元件的使用壽命。

1.5諧波的其他危害

諧波除了影響電容器正常運(yùn)行之外，還會對以下設(shè)備造成危害：

(1)對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及奇倍數(shù)諧波，對三角形連接的變壓器會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成諧振，使變壓器附加損耗增加。

(2)對配電線路的影響

線路阻抗隨著頻率的升高而增加，諧波電流使線路的附加損耗增加，而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線路的損耗，所以諧波是導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個(gè)重要因素。在適當(dāng)?shù)臈l件下還會形成諧波放大。而諧波電壓、電流放大會引起繼電保護(hù)裝置誤動甚至損壞。

(3)對電機(jī)裝置的影響

柴油發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻跟市電相比大了很多，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波的電流引起的電壓畸變就大很多，造成油機(jī)輸出電壓嚴(yán)重失真。可能造成油機(jī)的控制系統(tǒng)故障，引起用電事故。現(xiàn)在的通信機(jī)房停電時(shí)一般都由油機(jī)提供備電，因此要重視這個(gè)問題。

(4)影響繼電保護(hù)和自動裝置的正確性，諧波影響以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動裝置，因?yàn)榘簇?fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈度高。系統(tǒng)中不明原因的誤動和拒動，與諧波不無關(guān)系。諧波超標(biāo)，會嚴(yán)重威脅配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）影響計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性

電能計(jì)量裝置按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)，供電電壓或負(fù)荷電流中的諧波成分會影響感應(yīng)式電能表（尤其是電子式電能表）的正常工作。有諧波源存在時(shí)，該處用戶的電能表的記錄應(yīng)為其吸收的基波電能減去小部分諧波電能，故諧波能使電能計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差。

2.汽車制造行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征

2.1需求分析

汽車行業(yè)自動化水平在不斷提高，各種生產(chǎn)設(shè)備對電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也越來越高。工藝設(shè)備中由于采用變頻技術(shù)使得非線性負(fù)荷數(shù)量增長，非線性負(fù)荷會產(chǎn)大量的諧波注入電網(wǎng)嚴(yán)重影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量；同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備中沖擊性負(fù)荷的存在，使得瞬時(shí)從電力系統(tǒng)吸收大量的沖擊性無功功率。采用快速、靈活，實(shí)時(shí)監(jiān)測、動態(tài)補(bǔ)償無功功率和有源濾波裝置，對保證供電能質(zhì)量，建設(shè)綠色電網(wǎng)，降低網(wǎng)損具有重大意義；也對工業(yè)企業(yè)減少不必要的浪費(fèi)，降低成本，提高生產(chǎn)率，促進(jìn)企業(yè)和整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有不可估量的社會意義。

2.2主要特征

（1）新能源汽車行業(yè)市場前景好，各地建廠或擴(kuò)建；

（2）屬于中端制造業(yè)，為保證正常生產(chǎn)配電電能質(zhì)量要求較高；

（3）負(fù)載多樣化，沖壓機(jī)為沖擊性負(fù)載，需進(jìn)行補(bǔ)償。中頻焊機(jī)、變頻器是主要諧波源，需進(jìn)行諧波治理。

3.汽車制造行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

3.1解決方案

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為汽車制造行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

經(jīng)過以上分析可以知道，在汽車制造行業(yè)中容易產(chǎn)生諧波畸變率大、功率因數(shù)偏低、三相不平衡嚴(yán)重等問題。那么我們可以根據(jù)車間情況進(jìn)行分析治理方案。

沖壓車間：主要是沖擊性負(fù)載，會導(dǎo)致功率因數(shù)偏低問題，從而造成系統(tǒng)電壓偏低的情況。沖擊負(fù)載運(yùn)行過程中伴有沖擊電流同時(shí)會產(chǎn)生部分諧波，但是主要以5、7次諧波為主；因此可通過安裝有源無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行快速的補(bǔ)償無功，同時(shí)補(bǔ)償裝置在滿足裕量充足的情況下可以用來補(bǔ)償2~13次諧波。

焊接車間：主要是中頻焊機(jī)，焊機(jī)是兩相短路原理，會造成嚴(yán)重的電流不平衡的情況，同時(shí)啟動電流會很大，造成較大的沖擊性電流，導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，甚至?xí)斐上到y(tǒng)電壓偏低的情況，同時(shí)會產(chǎn)生較大的諧波，并且電壓諧波畸變率會比較高，估計(jì)會達(dá)到20%以上（國標(biāo)要求不超過5%）。因此可通過安裝有源無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償無功、治理三相不平衡；另外需單獨(dú)安裝有源諧波治理裝置來治理諧波。

涂裝和總裝車間：負(fù)載主要整流變頻設(shè)備，變頻設(shè)備一般為容性負(fù)載，本身功率因數(shù)較高，但運(yùn)行過程會產(chǎn)生部分諧波，主要以6N±1次諧波為主，因此可安裝有源諧波治理裝置進(jìn)行諧波治理。

3.2方案特點(diǎn)

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-EV汽車制造綜合能效管理平臺，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

（2）全控技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量；

（3）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，測量精度高、測得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

（4）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計(jì)，通過上位平臺實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

（5）高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān)、質(zhì)量過硬，具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能；

（6）電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費(fèi)提供控制手段。

3.3方案價(jià)值

（1）全面監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對汽車生產(chǎn)制造的供配電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

（2）完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個(gè)汽車制造供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少對其它供電及制造設(shè)備造成危害。

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用及增值服務(wù)

系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運(yùn)行管理優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導(dǎo)。

4.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

4.1集中治理

針對汽車制造行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電動機(jī)、水泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1。

表1電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

4.2就地治理

汽車制造各個(gè)生產(chǎn)車間內(nèi)，包含了行車、液壓機(jī)床、弧焊機(jī)、升降平臺、同步舉升機(jī)等各種設(shè)備，運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生對整個(gè)配電系統(tǒng)有影響的諧波，通常電流畸變率在30%左右。同時(shí)，在車間通常選用LED日光燈、金鹵燈、無極燈、工業(yè)風(fēng)扇、工業(yè)吊扇等設(shè)備，此類設(shè)備的諧波電流通常以3次諧波為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度也是一致的。因此N線會進(jìn)行疊加，致使N線的電流過大。針對上述負(fù)載情況，建議在各個(gè)重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，以達(dá)到終端治理諧波的目的，避免影響到整個(gè)配電系統(tǒng)的和其他的用電設(shè)備，末端治理的產(chǎn)品選型見表2。

表2末端治理產(chǎn)品選型表

5.南京某汽車制造公司電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例

5.1項(xiàng)目背景

南京某汽車制造商車間設(shè)備近年來受諧波影響，尤其沖壓和焊接設(shè)備大量使用，導(dǎo)致廠區(qū)電能質(zhì)量較差，變壓器及線纜的損耗增加，現(xiàn)場有個(gè)別無功柜內(nèi)電容器鼓包損壞，無功需量增加，導(dǎo)致功率因數(shù)過低，同時(shí)其它電氣設(shè)備的老化程度明顯損耗逐漸上升，出現(xiàn)各種電氣故障。分別對廠區(qū)1#室內(nèi)配電房以及2#戶外箱進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，并根據(jù)具體測量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。

5.2測量結(jié)果

測量數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可看出，1#室內(nèi)配電房和2#戶外箱無功功率因數(shù)分別為0.7和0.78，低于國家要求的0.9的標(biāo)準(zhǔn)。1#室內(nèi)配電房所在的供配電系統(tǒng)中5次、7次和11次諧波電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場負(fù)載設(shè)備主要為電動機(jī)、變頻器、沖壓設(shè)備、焊接設(shè)備、涂裝設(shè)備以及總裝設(shè)備等，可通過在配電房集中治理，消除諧波電壓/電流對整個(gè)供配電系統(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設(shè)備的影響；為了消除末端設(shè)備（例如電焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)和沖壓機(jī)等工業(yè)負(fù)載）產(chǎn)生的諧波影響及危害，可采用有針對性的就地治理解決方案，以至于達(dá)到準(zhǔn)確治理的效果。

5.3解決方案

由于系統(tǒng)中無功柜均為傳統(tǒng)無源無功補(bǔ)償電容器件，5次和7次諧波電流極易灌入電容柜中，與5其產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，放大諧波電流，使無功柜受到損害，無功柜在諧波較大的場合建議改造，同時(shí)增加濾波裝置，具體方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房更換無功柜，由于傳統(tǒng)無源電容裝置在負(fù)載電流快速變化時(shí)和電網(wǎng)電壓、電流畸變率高時(shí)無法及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)極容易諧振，燒毀電容器和投切開關(guān)，因此建議選用AnCos-GⅠ型有源無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，該裝置具備無極性補(bǔ)償、毫秒級全響應(yīng)時(shí)間及適合在負(fù)載快速變化場合的特點(diǎn)，同時(shí)是由IGBT構(gòu)成的有源型補(bǔ)償裝置，不會諧振。另外增加AnSin-GⅠ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中諧波治理，減少諧波對電網(wǎng)、變壓器及供配電系統(tǒng)的危害，改善供電系統(tǒng)電壓和電流穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

方案二：就地治理：建議在樓層配電間或電焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)和沖壓機(jī)等工業(yè)負(fù)載（負(fù)載變比快、畸變率較高）末端加裝AnSinⅠ型有源諧波治理裝置，可對2-31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到終端治理諧波的目的。

6.結(jié)論

目前汽車制造行業(yè)中的設(shè)備普遍采用的是電力電子變流和控制器件，致使車間的非線性制造設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量大幅度增加，諧波污染日趨嚴(yán)重，給配電系統(tǒng)和制造設(shè)備帶來巨大危害。但車間的供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的變壓器內(nèi)損和異常發(fā)熱、設(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。通過對汽車制造車間供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究，安科瑞為汽車制造行業(yè)提供了一套完整的電能治理監(jiān)測與治理的系統(tǒng)解決方案，使汽車制造行業(yè)的電能質(zhì)量問題得到了有效的治理。

作者介紹：

安躍強(qiáng)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)闉?a target="_blank">智能電網(wǎng)供配電。

審核編輯黃昊宇