以色列Elspec动态无功补偿装置在汽车焊接、造船焊接中的应用

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    Elspec是在国际上领先进行动态无功补偿和滤波的公司,在全球有4个工厂(以色列、葡萄牙、美国),总部位于以色列Caesarea Industrial Park,主要市场在欧洲、亚洲、美洲,具有遍及全球的业绩、全球性的销售网络,Elspec公司在全世界70多个国家有销售,北美的通用电气、施耐德用Elspec的产品OEM后去销售,西门子每年从Elspec采购1000万美金的设备,可以看出该产品在国际上的地位。

    Elspec产品应用于汽车厂:点焊机负荷变化极为快速,并且引发大量的无功功率,这种负荷经常产生较大的电压波动、电压闪变,导致电焊质量差并影响焊接的生产效率,过电流会损坏电极及被焊接材料、而欠电流也会严重地影响焊接质量。采用Elspec动态补偿装置能明显地提高焊接质量及生产效率,稳定电压、消除闪变并能充分地利用现有的设备,减少基本费用开支。
    Elspec产品的主要用户包括世界知名汽车商,如本田、克莱斯勒、戴姆勒、福特、菲亚特、通用、奥迪、奔驰、雪铁龙、宝马等公司。Elspec于98年进入中国,在国内绝大多数汽车制造企业得到广泛应用,包括上海通用汽车公司、东风汽车公司、广州本田汽车公司、上海大众汽车公司、安徽奇瑞汽车公司、福建东南汽车公司、一汽海南马自达公司、春兰集团南京汽车厂、陕西重型汽车公司、
武汉艾帕克汽车配件公司、广州爱机汽车配件公司、北京现代摩比斯配件公司等有广泛应用,运行性能、节能效果得到普遍认可。
    在国内重要造船基地如上海外高桥造船基地、上海长兴岛造船基地、上海沪东中华造船厂、中船三井柴油机公司等也得到非常广泛的应用。 

    国内外汽车厂对焊接动态补偿非常重视,原因在于:焊接需要稳定的电压提供,如果因为焊接质量造成的潜在隐患,将导致驾乘人员的人身安全以及汽车召回所带来的巨大损失。
    按照焊接行业的计算公式,焊接能量E与焊接电压V的平方成正比,如果焊接电压V波动到0.9的话,焊接能量E的波动将到0.81。焊接能量的波动,将直接影响到焊接的质量,由于电压的波动造成焊弧的过长或过短,从而导致焊缝外观不良、焊透不足、气孔等缺陷。

    1、补偿装置的响应时间
    无功功率补偿装置的响应时间,是补偿装置最重要的指标之一,尤其在汽车工业的点焊机工况下,响应时间的快慢直接影响到焊接质量。Elspec的Equalizer产品在业内真正做到5-20ms投切全部电容器组。在国外公开资料中只有Elspec能做到5-20ms投切全部电容器组,世界上其他著名厂家只能做到80ms或100ms投切一步电容器组。经过国际第三方测试证实,对于电压降落和闪变的补偿,Elspec是现有产品中最为快速的。
    Elspec动态无功功率补偿装置的响应时间,目前通过中国国家电控配电设备质量监督检验中心测试检验(检验报告编号为98电检116—2)。补偿装置从网络检测、运算(控制器部分)到电子开关触发可控硅模块、直至投切电容器组实现无功补偿,总的响应时间≤20ms。

    2、降低浪涌电流,延长设备使用寿命
    电子开关都要采用触发单元触发可控硅模块,实现电容器组投入运行。为防止和减小在电容器投入时产生的浪涌电流(浪涌电流过大会影响电容器的寿命),电容器的投切过程是一个很重要的技术问题。
    Elspec动态无功功率补偿装置采用了电流过零触发技术,电容器组投入时不产生浪涌电流,不会对电容器及电子开关等器件造成损伤,延长了电容器、可控硅模块的使用寿命(十年以上)。

    3. 解调电抗器和电容器
    根据国标GB50227-95<<并联电容器装置设计规范>> 用于抑制涌流和抑制谐波的电抗器,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时,电抗率宜采用4.5%~6%;当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时,电抗率宜采用12%……因为一旦发生谐振,谐振电流将达到数倍的电容器额定电流,足以损坏电容器,严重时甚至导致低压配电系统的崩溃。在常规有接点控制电容补偿柜中,都没有安装解调电抗器,电容器的使用寿命短甚至发生爆裂,与其都有一定的关系。
    汽车行业的焊接选用的大部分是单相焊机,会产生大量的三次谐波,应该串联14%的电抗器以防止三次谐波的放大。Elspec在焊接动态无功补偿装置电容器前均串接了14%的解调电抗器,以防止电容器组与电网产生的三次谐波并联谐振。

    4、控制器功能范围
    Elspec动态无补偿装置的控制器是国际先进的,花费了15年的时间进行研发。控制模块是以数字信号处理器DSP和VLSI电路为基础,在每一个电网周期对所有数据进行分析。先进的控制方法,包括专利的在1ms内计算出所需要无功补偿的技术,所有相的谐波分量同时都被计算出来,在有谐波的情况下也能进行理想的动态补偿。Elspec的控制器保证了从检测信号、系统运算、开关投切整个过程在5-20ms完成,这是一个实现全部补偿的概念。
    控制器还具有独特的自诊断和综合的图文报表功能,通过RS-485或RS-232通讯接口能与上位机实现通讯。可以进行复杂的系统测试,实时监控焊装车间生产设备的运行情况,使用户对配电系统各种电力参数有全面的了解。
    对于大容量的系统,我们建议只安装一套动态补偿,可以按容量分主柜、辅柜几个柜子,由一个控制器来控制。在一条母线上安装几套补偿系统(几个控制器)的话,会造成控制的不同步,实时补偿精度的降低。

    5、关于三相不平衡补偿接线方式
    汽车工业点焊设备绝大多数是用380V电源,由二相供电(L1—L2、L2—L3或L3—L1),通常三相负载的平衡问题在工厂供电设计时就已经考虑,把点焊机的供电布局接近平衡,避免因三相不平衡而出现零序电流,所以在这种情况下通常采用三相平衡就可以了。参看欧美几个大汽车公司的有关资料,点焊机的供电不平衡度为20%以下时,对供电网络采用无功功率平衡补偿无大碍,在不平衡度超过20%时,就应该考虑选用不平衡补偿。
    Elspec的三相不平衡补偿系统,补偿电容器组额定电压为480V,且电容器分为三组,为三角形接法,每组分别连接L1-L2、L2-L3、L3-L1。当点焊机一旦工作,控制器同步进行网络检测分析,分别确定连接L1-L2、L2-L3、L3-L1电源上的点焊机所需的无功功率,并与设定的目标值比较,在小于20ms内投切对应在L1-L2、L2-L3、L3-L1上的不同容量的电容器组,从而及时补偿无功功率。

    Elspec动态无功补偿的优势,最重要的是补偿响应时间和补偿电容器的接线方式。在国外公开资料中只有Elspec能做到5-20ms投切全部电容器组,世界上其他著名厂家只能做到80ms或100ms投切一步电容器组。对于跨接在二相供电上的焊接系统的补偿,先进、安全的技术是Elspec的三角形接法的三相不平衡补偿系统。
    国内一些厂家宣称补偿响应时间≤20ms,但经过现场进行的详细测试,表明每一步的补偿响应时间均在100ms以上,当需要投切大的电容器组时,其装置响应时间将更长,具体测试时可以看到功率因数、电压以及电流的波动均非常厉害,不能满足点焊机所需的无功功率补偿要求。100ms以上、每次只投切一步的响应时间,不能起到稳定电压、消除闪变的功能,焊接头电流不稳定,会导致焊接效果差并影响产品质量。投入时——因为反应时间的不够,补偿电容是逐步加入、会造成欠补;切除时——会造成过补,因为电容器逐步切除而造成系统电压的抬高、电流的抬升,加剧电压的波动和闪变。

    汽车制造厂采用的焊接设备如单相焊机、三相焊机,都是使用三角形接法、即跨接在相间接入电网,选用动态补偿要和负载的接法相一致,也应该使用三角形的接法、跨接在相间对应进行补偿,根据该相焊接的功率因数和无功功率投入相应的补偿电容,这样从能量流动、以及补偿效果来讲最为合理。而且这种接法在补偿前或补偿后均无中性点电流,也有利于谐波的消除。但三角形接法的三相不平衡补偿的控制是十分复杂的,特别是可控硅触发的技术难度比较大,Elspec投入了很大的人力和财力开发出来,在欧洲、亚洲等地的汽车厂已有非常成功的运用。

    国内有的厂家的三相不平衡补偿系统实际为分相(单相)补偿装置,补偿电容器组额定电压为230V,为星形接法,分别连接在L1-N、L2-N、L3-N,与负荷的实际接法不一样。由于电容器运行电压低,电容量为相对相接法的1/3,选取单只数量增多,导致安装困难、安全性降低;负荷点焊机分别连接的是L1-L2、L2-L3、L3-L1,由于补偿时负荷不平衡,极易造成中性点电位偏移,致使某相电压升高,某相电压降低,此时电容器的容量发生变化,补偿精度受到影响,尤其在出现严重不平衡时,电容器运行极不安全,如出现某相过补偿或欠补偿,将使零线电流太大导致保护开关误动作,影响配电系统的安全可靠性。
    而采用星形接法的三相不平衡系统的最大弊端为:通常我国低压采用三相四线制TN-C系统供电。其特点是工作中性线N与保护接地线PE合为一根PEN线,所有设备的外裸可导电部分均与PEN线相连。当三相不平衡时,PEN线上有电流通过。分相补偿时电容器频繁投切引起的三相不平衡合闸涌流,可使PEN线过负荷发热,引起零电位漂移,危及人身安全,影响用电设备的正常工作。所以采用星形接法的三相不平衡系统,应尽可能降低星形接法电容器中性点的接地电阻,以保证由三相不平衡合闸涌流引起的零电位漂移较小。

    中国的国标GB50053-94“10kV及以下变电所设计规范”第5.2.1条也规定:低压电容器组应接成三角形。

    本文来源于我们国内代理商的技术总结,提供广大用户进行选用Elspec产品的参考。

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