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汽车焊装车间电能质量分析及治理
2017-05-25 11:40:35  作者:  来源:中国设计师网  
  •   随着汽车行业的高速发展,对汽车制造工艺提出了越来越高的要求,焊接时是汽车生产过程中的重要环节。传统的工频焊机难以满足现代汽车生产焊接要求,中频焊机在越来越多的汽车生产企业得到应用。中频焊机应用因工作时间不固定,工作频率高,工作周期短,工作电流变化速度快,带来功率因数低、谐波大,电能浪费严重等电能质量问题。传统电容补偿装置不能解决焊接工作时引起的功率因数低等电能质量问题,通过试验证明ESVG静止无功发生器在突变负荷下能够快速跟踪负载功率变化,保持高功率因数,能很好的解决中频焊机工作带来的电能质量问题,降低损耗,提高车间电网供电质量。

  河南费曼电力技术有限公司 武伟伟 王斌斌

  1 引言

  汽车行业产业链长、关联度高、消费拉动大,已经成为我国经济的重要支柱产业。汽车车身壳体是一个复杂的结构件,它是由百余种、甚至数百种薄板冲压件经焊接、铆接、机械联结及粘接等方法联结而成的。由于车身冲压件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳钢[1],所以焊接是现代车身制造中应用最广泛的联结方式。

  在轿车车身制造过程中,焊接接头质量的好坏,不仅直接决定了车身焊接装配过程的制造偏差,同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。一般来说,轿车车身大约需要4000~6000个点焊焊点,点焊技术在保证汽车质量和生产效率中起着非常重要的作用。点焊质量的提高不仅可以带来经济效益,而且可以提高企业的核心竞争力。

  2 中频焊机特性及电能质量

  随着汽车行业的快速发展,为了省去笨重的车架而使汽车轻量化,绝大多数轿车车身都采用承载式结构。其特点是车身没有明显的骨架,车身是由外部覆盖件和内部板件焊合而成的空间结构。现代轿车承载式车身壳体前部都有副车架,在副车架上安装发动机、传动系统、前悬架和前轮,组合成便于装配和维修的整体。副车架与承载式车身前部的下方用弹簧橡胶垫连接,以隔离振动和冲击,提高车身的舒适性。

  汽车车身结构的安全性及新材料的运用对车身的焊接工艺提出了新的挑战。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,传统的工频焊机难以满足焊接要求,中频焊机在越来越多的汽车生产企业得到应用。与传统的工频焊机相比,中频焊机运行的能源成本比工频焊机节约近1/3,适合自动线运用,控制智能化程度高,适应材料范围广,尤其能够得到稳定、可靠的焊点质量。中频焊机在各大汽车厂中也得到了越来越广泛的应用,如一汽大众、奇瑞汽车、北京现代、东风日产等厂家都已将中频焊机运用于自动线焊接或人工点焊。

  中频焊机工作原理如下:

  逆变焊机其原理为: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。

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  中频焊机点焊循环时序图如图1所示。

  其中:SQ——预压时间;

  SLOPE——缓升时间;

  COOL1——预热冷却时间(注:冷却时间设定值必须等于零或大于三);

  COOL2——焊接冷却时间(注:冷却时间设定值必须等于零或大于三);

  HOLD——维持时间;

  OFF——休止时间;

  W1——预热时间;

  W2——焊接时间;

  W3——回火时间。

  预压时间:电极开始工作于第二级行程到开始通电焊接的时间间隔;

  焊接时间:焊件通过焊接电流的时间间隔;维持时间:焊接电流切断后,焊件继续受压时间;

  休止时间:两个焊接周期之间的时间间隔。

  冷却时间:第一次焊接电流与第二次焊接电流之间的时间间隔。

  气压时间:气阀2对应第二次焊接时间的启动时间。

  由于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,严重影响车间和厂区电能质量[2],影响焊机和其他设备正常运行。

  电压波动及闪变:供电系统的电压波动和闪变多由用户的波动性负荷所引起。电焊机就属于典型的波动性负荷,它引起的电压变化不仅影响焊接质量和焊接效率,而且影响和危害着公共连接点上的其它用电设备。

  功率因数:电焊机工作时引起的大量无功消耗,且运行周期短,运行过程中变化迅速,突变快。无功电流影响变压器出力,增加变压器及线路损耗,增加变压器温升。

  谐波的危害:交流电信号经过逆变焊机后,就会产生高次谐波,增加谐波损耗,造成能量的浪费。

  三相电压不平衡:如果电焊机接入的电源是单相电源,在焊接时,由于大电流的产生,将严重影响三相电压的不平衡,导致负序电流和零序电流的产生。

  3 ESVG试验及效果

  根据中频点焊机的负荷特性,运行周期短,运行过程中功率变化快,产生谐波大,严重影响电网电能质量和电网及用电设备安全运行。采用TSC或TCR型SVC等传统电容补偿装置无法快速跟踪补偿焊机工作过程中产生的快速变化的无功功率,极易造成过补偿或欠补偿,并且会放大系统谐波,引起系统震荡,对系统造成危害,不能解决焊机工作带来的电能质量问题。ESVG是无功补偿最新技术应用产品,ESVG可以灵活实时控制输出无功电流,快速跟踪补偿负载需要的无功功率。ESVG采用可关断电力电子器件绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)组成三相全控整流桥式电路,经过电抗器并联在电网上,原理图如图2所示。

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  通过控制单元直接控制ESVG输出的交流电流幅值和相位,迅速吸收或发出无功功率,实现快速动态调节无功的目的[3]。ESVG响应时间在5ms左右,可以迅速跟随负载变化,动态连续补偿无功,彻底杜绝SVC型补偿装置不能快速跟踪补偿引起的补偿效果差及无功倒送的问题。作为有源型补偿装置,输出无功电流不受母线电压影响,不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流,而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。SVG是通过逆变器的控制实现无功的快速调节,不再需要大容量的交流电容/电抗器件,是属于电源型的主动式补偿装置[3]。

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  为了验证ESVG静止无功发生器装置的实际补偿效果,河南恩耐基电气有限公司在进行充分测试基础上,实施了某汽车焊装车间ESVG补偿改造项目。改造前焊装车间电容器及晶闸管开关损坏率高,补偿效果差,功率因数低,功率因数在0.2--0.7之间频繁波动,如图3所示。安装ESVG静止无功发生器投运后,设备运行稳定,功率因数补偿效果理想,如图4所示为安装ESVG装置后功率因数变化曲线。由功率因数变化曲线可以看出ESVG补偿后功率因数维持在0.92以上,绝大部分时间功率因数在0.98-0.99范围内,补偿效果非常明显且补偿稳定,降低了变压器及车间内用电线路和配电线路的损耗,降低了无功功率引起的线路电压降,有效稳定了末端电压,有效提升了车间供电质量和用电质量,为安全高效生产打下基础。

  4 结论

  本文从汽车制造焊接工艺角度出发,分析了焊接在汽车制造过程中的重要性,并分析了汽车制造过程中中频焊机的工作方式及工作特性,分析了运行过程及带来的电能质量问题。因中频焊机工作时间不固定,且工作频率高,工作周期短,工作电流变化速度快等原因,传统SVC类电容补偿装置不能解决焊接工作时引起的功率因数低等电能质量问题。通过试验应用证明ESVG静止无功发生器在突变负荷下能够快速跟踪负载功率变化,保持高功率因数,稳定供电质量。作为新一代动态无功补偿产品,其响应速度快、补偿范围广、动态提供电压支撑等优良特性决定其非常适用于低压配电系统无功补偿,拥有着不可估量的前景,必将得到广泛应用。

  参考文献

  [1]刘方晶,杨贵斌,李刚.中频逆变电阻焊在汽车制造业的应用[J].金属加工,2009,(24):62-64.

  [2]高金南.汽车制造行业电能质量分析与治理[J].电力与能源,2013,5(34):533-536.

  [3]武伟伟,龙翔.低压动态无功发生器ESVG在农网应用研究[J].电能质量,2012(12).57-59.

  作者简介

  武伟伟,男,硕士研究生,毕业于华中科技大学电力与电子工程学院,研究方向为电力系统及其自动化,现就职于河南费曼电力技术有限公司,工程师。

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