[ 高级搜索 ]
·2017第八届配电自动化技术应用论坛 ·第九届成套设备发展与技术论坛(... ·第八届工业设计院及工业用户技术... ·2017第十七届中国国际电力电工高... [更多...]
当前位置:首页 >> 工程案例
电压暂降对汽车整车制造厂的影响及解决方案
2017-04-26 17:50:45  作者:王俊 付毓敏  来源:中国设计师网  
  •   现代汽车制造工厂自动化程度越来越高,这大大地提高了生产效率。但自动化生产线上广泛采用的变频器、伺服驱动、机器人、各类控制及通讯装置等电力电子元器件,对电能质量的要求也更高。电压暂降是目前最突出的电能质量问题之一,电压暂降事件会造成非计划停产、设备宕机、关键设备损坏、产品报废等经济损失问题。本文从分析电压暂降对汽车制造工艺不同环节的影响入手,结合动态电压暂降补偿器DySC的成功案例,介绍了一种深度补偿、免维护、经济有效的电压暂降解决方案。

  1 引言

  汽车工业是高度技术密集型的工业,集中着许多科学领域里的新材料、新设备、新工艺和新技术。同时随着人们对汽车消费品日益增加的需求,对于整车厂来说是更高要求的挑战。那么就要求汽车生产线将会有着更优化的配置,自动化速度更高的设备。但自动化生产线上广泛采用的变频器、伺服驱动、机器人、各类控制及通讯装置等电力电子元器件,对电能质量的要求也更高。持续时间几十毫秒的电压瞬间跌落,就可导致敏感设备宕机,从而影响整条生产线的运转,造成的直接和间接损失巨大。

  汽车工厂电压暂降问题主要集中在涂装,车身,冲压以及发动机四大自动化程度最高的车间;损失主要集中在产能损失,设备损坏,产品报废。

  统计表明,电压暂降是目前最突出的电能质量问题,因电能质量问题导致工厂非计划停产停机的事件中,90%是由于电压暂降事件。电压暂降(Voltage Sag)的持续时间定义为10毫秒~1分钟(典型为10~600ms),下降幅度为降至额定电压的90%~10%(IEEE)(IEC定义的下降幅度为降至额定电压的90%~1%),各地也将其称为电压骤降、电网晃动、闪络等等

  2 电压暂降的规律

  2.1 电压暂降产生的原因

  造成电压暂降事件的原因很复杂,有自然因素,也有人为因素,有供电部门系统保护的因素,也有用户系统内设施故障或误操作的因素。如:雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作,从而导致供电电压暂降,而不是过电压;大功率设备全电压启动时,启动电流为满载运行时的5~10倍,这一大电流流过系统阻抗时,会引起电压突然下降;整个电网结构中某一处发生短路故障,系统保护装置切除故障、重合闸的过程中,故障线路上的用户和相邻出线用户都将遭受电压暂降,电压暂降在电网系统中可传播上百公里。

  2.2 电压暂降的一般规律

  为了鉴别究竟是电压暂降问题,还是断电问题,美国半导体行业SEMI F47标委会在美国硅谷地区22个站点进行了长期的电压监测,记录到的1076个电压事件中绝大多数是电压暂降问题。根据电压暂降的定义,我们将横轴定义为时间轴(单位:周波),纵轴定义为暂降深度(占额定电压的百分比),将监测结果整理为散点图,如图1所示。

\

图1

  根据上海捷实科技自2004年至今,在中国各地多家先进制造业统计的共1010个电压事件。如图2所示。

\

图2

  根据上面两张中外统计的暂降数据,来分析电压暂降的规律,依然据其定义从持续时间和暂降深度两个方面来分析。

  (1)电压暂降的持续时间

  从图一美国硅谷地区电压暂降统计图可看到,1076个电压事件中,仅3个事件持续时间大于120周波(即2秒)。从图二中国各地先进制造业的电压暂降统计图可看到,1010个电压事件中,仅4个事件持续时间大于100周波(即2秒);1006个事件持续时间小于2秒,占全部事件的99.6%;942个事件持续时间小于1秒,占93.3%;843个事件持续时间小于250毫秒,占83.5%。因此,先进制造业面临的主要问题,是2秒、甚至1秒以内的电压暂降问题,而非电力中断问题。

  (2)电压暂降的深度(以剩余电压占额定电压百分比计)

  详细分析中国各地先进制造业的电压暂降统计数据,1010个电压事件中,有601个暂降事件,暂降深度在75%~90%;210个暂降事件为60%~75%;190个暂降事件为10%~60%;9个点为10%以下。实际生产中,60%以下的深度电压暂降造成的经济损失最大。

  3 电压暂降造成汽车工厂宕机停产的原因

  简单来说电压暂降会造成汽车工厂的机器人、传动系统、输送链、伺服系统、加工中心等宕机,那么其中一关键工位的设备宕机可能造成整条生产线的停工。

  以汽车工厂中广泛使用的机器人为例:在汽车生产流水线上,随着市场需求的扩张和人力成本的增加,越来越广泛采用机器人来替代部分工艺操作,机器人的生产效率比人工操作要更加稳定高效,但相对于传统工艺而言,机器人对供电质量的要求也更高。根据大量数据显示,跌落至额定电压80%以下的暂降事件就可能导致机器人停机停产。

  随着自动化程度越来越高,某一条生产流水线或工作站,可能由几台至几十台机器人组成,其生产工艺有复杂的逻辑控制,当机器人受电压暂降影响而宕机时,受生产工艺要求及逻辑控制需要,该生产线要完全恢复正常生产状态,可能需要几十分钟至几个小时不等。

  如果遭遇深度电压暂降(跌落至额定电压的60%以下),将导致该生产流水线上更多设备停机,甚至可能因为深度电压暂降导致一些关键元件损坏。昂贵的备件费用及备件调用的时间成本有时是不可预估的。

\

图3 典型元器件电压暂降特性

  因此,根据设备类型的不同,均会有一定的电压暂降耐受能力,到遭遇到浅幅暂降时,设备可跨越暂降不受影响。而当发生深度电压暂降时,由于设备内部元器件无法持续工作,从而导致生产设备停机,越是深度暂降,设备恢复时间越大、损害越严重。

  综上所述,结合上海捷实的项目经验和现场大量的监测数据我们总结出电压暂降对汽车制造业的影响及造成的损失简单描述如下。

  3.1 动力总成数控加工中心

  数控机床、输送设备、装配线和测试平台,昂贵而复杂的设备停机需要重新设置机床参数,并会报废工件、损坏刀具、流水线停产、待工等。

  3.2 焊装车间

  机器人或伺服控制设备因电压暂降失去原点,通常需要手工“复位”,需要花费大量时间;激光焊等重要设备因电压暂降而损坏,设备昂贵、备件周期长。

  3.3 油漆车间

  输送链设备、机器人、烘房、通风设备、生产线系统的连贯性操作是至关重要,因电压暂降而中断以后可能需要将设备完全停止、清洗、再重启,该过程耗时较长,且产品质量会受影响或可能报废。

  3.4 冲压生产线

  自动化控制系统复杂连续的机器, 典型的组成结构包括:大型直流调速器及相互关联的压机单元,工件输送伺服器、控制机器手等,因此,对电压暂降非常敏感。

  3.5 压缩机

  动力供气设备损失压力可能会严重影响生产,导致相关生产设备异常停机或产生质量问题。

  3.6 工控机和人机界面

  敏感工控机和人机界面因电压暂降会失去程序并需要复位和重新调正。

  3.7 电压暂降治理策略

  电压暂降治理策略有多种,可以建议电力公司考虑一个工业园区进行电压暂降治理,制造工厂也可以考虑从工厂进线端将整个工厂都进行电压暂降保护,或者在低压侧对整条母线进行保护,也可以伸入到工艺设备,甚至某个设备控制系统的电压暂降保护。但是电压暂降治理成本的投资会随着电压等级和容量而数量级的上升,因此越靠近敏感设备侧电压暂降治理成本越经济,见图4:

\

图4

  但通过对工艺设备及元器件、子系统的充分了解,汽车工厂真正需要做电压暂降治理的工艺设备容量仅为总容量的5%~10%,因此,寻找关键工艺薄弱环节是电压暂降治理的重中之重。

  上海捷实电压暂降治理遵循的三步曲:1、监测,评估工艺现场发现需要电压暂降治理的目标;2、核实,通过多年电压暂降治理经验及数据对治理目标进一步确认;3、治理,选择最经济有效的免维护电压暂降治理方案。见图5所示。

\

图5

  5 汽车工厂涂装车间暂降保护案例

  5.1 项目概述

  某汽车制造工厂位于开发区,属于当地纳税大户和政府重点关照企业,该厂共有1条35kV、2条110kV电源专线专供。自投产以来,该汽车工厂多次受电压暂降造成非计划停产,停产时间少则几十分钟、多则几个小时,直接和间接损失高达几百万、甚至几千万元。

  油漆车间是汽车制造工厂瓶颈生产工艺,整条生产线工艺复杂,自动化程度高,有几十种工艺环节上百个工位,只要某个工位出线故障,整条油漆生产线都要停线等待,因此由于电压暂降问题所面临的生产压力巨大。喷漆机器人对电压暂降尤其敏感,因此,该汽车工厂电压暂降治理首先选择对喷涂机器人的保护。

  5.2 项目实施过程

  本项目为7个工位的喷涂机器人加装电压暂降治理装置DySC,每个工位机器人数量约为4~5台。在定电压暂降治理方案之前,上海捷实首先对各工位电源控制柜进行实际运行电流的在线监测(见图6),监测数据表明,如果采用一对一的保护方式,需要采用1台100A DySC保护一个机器人工位控制柜,即该项目需要7台100A的DySC。实际上,喷涂机器人一般不会同时运行,因此上海捷实最终选择需采用1台400A DySC保护对7各喷涂机器人工位电源控制柜进行保护,图7为安装后图片。

\

图6

\

图7

  5.3 电压暂降治理效果

  电能质量治理方案实施后,该汽车工厂油漆车间经历了多次因电网问题而引起的电压暂降事故,进行过电压暂降治理的机器人,都能安全度过电压暂降干扰,丝毫未受影响,确保了设备正常运行;而未经过治理的同类设备,都受到不同程度的电压暂降干扰,致使部分生产设备和工艺出现故障或停止运行。为此,该汽车公司已计划进行对敏感的生产设备和工艺进行全面的电压暂降治理,以彻底消除电压暂降对汽车生产造成的不利影响。

  DySC电压暂降保护效果一(图8):

  2011年8月7日,该汽车工厂连续遭遇6次电压暂降,采用DySC进行电压暂降保护的机器人没有受影响。图片注释(DySC 触摸显示屏电压暂降记录):Time:暂降发生时间;√:被成功保护暂降事件;RMS%:电压跌落至额定电压的百分比。Duration:暂降事件持续时间。

\

图8

  DySC电压暂降保护效果二(图9~11):

  2012年3月30日,上海地区由于50万伏高压输电线由于飘带缠绕导致电压暂降事件发生,浦东、张江、金桥、临港、外高桥地区很多制造工厂受暂降影响导致非计划停机停产,半导体、汽车等行业损失巨大。

  该汽车工厂也受此次电压暂降影响,油漆车间供电线路发生一次暂降事件,跌落至额定电压的17%,持续时间5.1周波(102毫秒)。DySC保护的涂胶机器人被保护没有任何影响。

  图11说明:RMS Voltage Charts电压曲线,红色为DySC输入电压,绿色为经过DySC保护补偿后的输出电压。

\

图9

1\

  DySC电压暂降保护效果三(图12~13):

  2012年3月7日是三相同时发生电压暂降的事件,A相、B相、C相分别跌落至额定电压的26%、23%、26%,持续时间6.2周波(124毫秒)。经过DySC补偿后,输出电压维持不变,负载正常运行,没有受到任何影响。

\

  DySC电压暂降保护效果四(图14~15):

  2011年10月1日发生三相同时暂降的电压暂降事件,A相、B相、C相分别跌落至额定电压的10%、10%、15%,持续时间30.5周波(610毫秒)。经过DySC补偿后,输出电压维持不变,负载正常运行,没有受到任何影响。

\

  6 汽车工厂冲压线的电压暂降治理

  6.1 项目概述

  某生产汽车配套冲压件的公司工厂进线为10kV,使用的是舒乐最先进的8100T冲压线,整个冲压线通过两个2500kVA变压器供电,有6个压机单元、线首、线尾、中控、调试机组成,最高速度为22件/分钟,由于各个压机单元之间的动作是连锁的,所以供电系统出现电压暂降时,会造成整个冲压线停机;严重情况下,元器件损坏、机械撞击故障等也无法避免。每次电压暂降造成整条冲压线停机1~2个小时,可能会出现控制模块、伺服卡件等元器件损坏,产品报废,直接和间接损失是巨大的。

  6.2 项目实施方案

  冲压线的负载动态性较强,各压机单元工作时冲击电流大,若整条线都进行电压暂降保护,则投资成本巨大。上海捷实通过对现场工艺了解后,推荐嵌入式电压暂降解决方案,针对保护各压机单元的控制回路、自动化系统(控制电柜+机械手+线首、线尾机器人)安装动态电压暂降补偿装置DySC进行保护,而压机单元的主驱通过恰当的软件参数调整可实现尽可能避免停机停运。

  通过对各压机单元控制回路和自动化系统测试后,采用一台400A DySC和一台800A DySC进行保护,图18为安装实施后的照片。

\

  6.3 电压暂降治理效果

  2013年10月21日电压暂降事件,暂降深度:52%,持续时间:32.6 cycles(652ms),图19为400A DySC保护记录,图20为800A DySC 保护效果,冲压线正常运行,保持连续生产,而没有DySC保护的开卷线停机。

\

  6.4 动态电压暂降补偿装置DySC性能特点

  DySC(Dynamic Sag Corrector)是一款无电池、免维护、高可靠性的产品。当发生暂降时,DySC探测并完成补偿动作的响应时间小于2毫秒,快速响应保证敏感负载设备不会受到电压暂降影响。

  当电压高于额定电压的88%时,电压处于生产设备正常运行可以忍受的范围区间,DySC处于旁路状态并实时监测电压状况;当电压跌落至额定电压的50%至88%范围时,DySC通过逆变器利用电网能量进行补偿;当电压跌落至额定电压的0%至50%,DySC利用电容蓄能及交叉耦合相结合的技术进行补偿。

\

图21

  由于DySC平时电压正常时处于旁路状态,发生暂降时快速投入进行补偿,所以,DySC的能源效率高达99%,且具有结构紧凑、占地面积小的优点。这充分符合汽车工厂设备紧凑,设备运行动态化强的特点。

  DySC电压暂降保护范围:

  三相同时跌落至额定电压的50%,DySC保护5秒;两相同时跌落至额定电压的30%,DySC保护5秒;单相跌落至额定电压的0%,DySC保护5秒;

  三相同时跌落至0V,标准型DySC可保护50毫秒,增强型可保护200毫秒。

\

图22

  参考文献

  [1] IEC 61000-4-30:2003 Electromagnetic compatibility(EMC)–Part4-30:Testing and measurement technique-Power quality measurement methods [S].

  [2] EPRI PEAC SEMI F47 Compliance Technique.

  [3] 肖湘宁.《电能质量分析与控制》.中国电力出版社,2004.

  [4] Roger C.Dugan,Mark F.McGranaghan,Surya Santoso,“Electrical power dystems quality”(Second Edition),Wayne Beaty,McGraw-Hill Companies,2002.

  [5] “Power quality analysis”,DRANETZ-BMI,1998.

  [6] Lee G J,Albu M M,Heydt G T.A power quality index based on equipment sensitivity,cost and network vulnerability[J],IEEE Trans on Power Develivery,2004,21(3):1679-1688.

  [7] Martinez J A,Martin A J.Voltage sag studies in distribution networks—partII:voltage sag assessment[J].IEEE Trans on Power Develivery,2006,19(3):1229-1307.

  作者简介

  王俊(1961- ),男,硕士,上海捷实科技有限公司(EPSolutions)总经理,曾参与中国发电行业第一套DCS自动化控制系统项目、并曾在多家知名跨国公司和美国电科院工作多年,资深工业控制自动化专家,熟悉电力、石化、冶金、造纸纸浆、玻璃、汽车、半导体制造、食品等行业的生产工艺和自动化控制。近年来,专注电能质量监测和电能计量、电能质量评估诊断、电压暂降治理、节能解决方案的研究,并关注新能源和低碳发电技术及咨询等。并担任全国电压电流等级和频率标准化技术委员会(1)电压暂降工作组成员、(2)电压暂降测量与数据处理工作组成员、(3)电压暂降敏感负荷工作组成员,中国电源学会电能质量专业委员会委员、国家电网上海电力公司电网核心课程班“新型电能质量问题及对策”客座教授等职。

  付毓敏(1987- ),女,上海捷实科技有限公司(EPSolutions)项目主管,从事研究方向为电能质量监测、电能质量评估、电能质量治理等。熟悉电力、石化、汽车、半导体、屏幕、食品等先进制造业的生产工艺,并有丰富的项目改造及实施经验。

   小编推荐
中国设计师网电气微信公众平台】 微信号 saier电气
打开微信,点击底部的“发现”,使用 “扫一扫” 即关注“saier电气”分享网页到朋友圈!
 
   
关于我们赛尔传媒联系我们网站地图
Copyright © 2005-2017 shejis.com.All Rights Reserved 京ICP备14009797号-5 京公网安备: 11010802022333