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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：簡述汽車行業(yè)的諧波治理需求，分析汽車行業(yè)中典型諧波源點焊機的工作特性和諧波特性，介紹諧波治理對車企的作用，總結(jié)諧波治理和有源濾波器的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：汽車行業(yè)；電能質(zhì)量；諧波治理；有源濾波器；點焊機；諧波電流；諧波電壓；電力電子器件
0引言
近20年來，我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，汽車為人們的交通出行帶來了很大便利，電力電子器件大量使用于汽車制造行業(yè)，對工廠配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了愈來愈高的要求。
1汽車行業(yè)的諧波治理需求
1.1諧波的影響
在理想供配電系統(tǒng)中，電源是頻率為50Hz(工頻)的正弦波，僅存在相位和幅值的差異，頻率一致，電機、電力電子器件、變頻器等非線性設備的應用產(chǎn)生了諧波，頻率為工頻的整數(shù)倍(也有工頻非整數(shù)倍的分量為間隙波)，使電壓和電流的波形發(fā)生畸變，由標準正弦波變?yōu)榉钦也ā?/p>
汽車制造業(yè)在生產(chǎn)中大量采用了諸如電焊機、沖壓機、切割機、起重機、變頻器等沖擊性、非線性負荷，這種沖擊性負荷的諧波問題，其變化速度快，幅度大，非常難處理，會對企業(yè)的生產(chǎn)工作和設備使用帶來非常大的影響和巨大的經(jīng)濟損失。
良品率作為產(chǎn)品質(zhì)量的考量標準，對于汽車產(chǎn)品更是重中之重，若出現(xiàn)不合格產(chǎn)品則需返工甚至報廢，出現(xiàn)脫焊、未焊透等焊接質(zhì)量問題導致返修，大大增加企業(yè)成本。
電容器和電抗器作為無功補償主要元器件，在電力系統(tǒng)中更是扮演著重要的角色，但是其電氣特性導致其極易受到諧波影響產(chǎn)生共振，從而導致電容器和電抗器異常發(fā)熱甚至燒毀，此類故障案例數(shù)不勝數(shù)不光維修更換費用昂貴，電容器故障還會導致整條線路癱瘓，造成的二次經(jīng)濟損失不可估量。
現(xiàn)場配電系統(tǒng)使用自動投切補償裝置，其核心部件為可控硅，使用壽命長，但作為靈敏度自動化設備，對任何細微的變化都極為敏感，其反應速度快、動作頻率高的特性的優(yōu)點在面對諧波時反而成為缺點。大量的諧波導致可控硅頻繁動作，投切頻率遠高于正常使用頻率，使原本預計的使用壽命大大下降，產(chǎn)品優(yōu)秀的耐受性顯得毫無意義從而加大企業(yè)在此方面的維護成本。
1.2諧波治理的作用
不同種類的諧波造成的危害不盡相同(如:3次諧波加在中性線可能造成中性線嚴重過負荷)，高次諧波則極易和電容器產(chǎn)生共振，能毀電容器。
通過有源濾波器進行諧波治理，可以消除電網(wǎng)中存在的諧波，保護車間內(nèi)的沖壓設備。電焊設備等不再受到諧波危害。在純凈的用電環(huán)境下設備的工作穩(wěn)定性將大大提升，解決因諧波影響而產(chǎn)生的脫焊、未焊透等問題。
2點焊機的工作特性和諧波治理
2.1點焊機的工作特性
在汽車行業(yè)的焊接工藝中，點焊由于其焊接特性優(yōu)良和便于機械自動化得到了普遍的應用，有可移動式獨立焊機也有固定式焊接生產(chǎn)線、焊接機器人等，電焊機起弧時輸人電流間加大至滿負荷，電弧想滅后輸人電流降至接近于零，并且負載在零至滿負載之間快速、反復變化。由于逆變焊機中二極管整流電路的存在，因此其輸人電流中含有大量諧波成分，諧波電流的產(chǎn)生和消失在幾個周波內(nèi)完成，計量時間達到毫秒級，不但輸人電流幅值是變化的，諧波電流總畸變南也是變化的，情況更加復雜。
2.2點焊機的諧波分析
焊接車間低壓供電的配電情況較為復雜，主要包含多種大型點焊設備和沖壓設備等。筆者選用了一臺經(jīng)常出現(xiàn)母焊的焊機進行測試，了解該焊機在啟動運行過程中的諧波大小和分布情況。點焊機啟動后的工作電流如圖1所示。
圖1點焊機啟動后的工作電流
從圖1中可以看出，電流波形畸變嚴重，特別是啟動時A相電流波形出現(xiàn)長時平谷，B相電流波形出現(xiàn)多個波峰。
圖2為焊機電流波形圖(虛線為標準正強波電流應在用電開始后5ms時達到電流峰值，在10mms時歸0，在15ms時達到反向峰值，在20s時再次歸0，構(gòu)成一個完整的周波，在一個周波的用電時間內(nèi)，電流波形應該過渡平滑?？梢钥闯?，焊機實際波形比標準正強波形更早出現(xiàn)了波峰，在5ms峰階段，焊機波形此時已經(jīng)處于回落狀態(tài)，并出現(xiàn)了長時間的平谷，此時電流值為0。通過對比不難看出，焊機的電流波形已經(jīng)不是正弦波形，負載電流中含有大量的諧波電流，導致焊機電流波形畸變嚴重，會對電力系統(tǒng)造成嚴重影響。
圖2焊機電流波形圖分析
圖3分別為A相的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從柱狀圖中可以看出諧波主要由3次諧波構(gòu)成，5、7、9次諧波比較小，電壓也有一定的諧波含量，2次、3次、5次諧波電壓較多。
圖3A相諧波電流和諧波電壓柱狀圖
2.3點焊機的諧波治理
針對點焊機的工作特性，需要選擇具備快速響應能力的濾波裝置進行諧波治理，而有源濾波器通過大功率電力電子器件的高頻開關(IGBT)來實現(xiàn)諧波治理，并具備沖擊性負荷的無功補償功能，能夠發(fā)揮重要作用。
圖4投入有源濾波器的焊機電流波形圖
圖5A相治理后的諧波電流和諧波電壓柱狀圖
圖4為投入有源濾波器的焊機電流波形圖，可以看出，經(jīng)有源濾波器補償后的焊機波形已經(jīng)比較接近正弦波形，且波峰和0值過渡較為平滑，沒有出現(xiàn)補償前的波形畸變情況，說明諧波電流已基本消除完畢。
圖5分別為A相治理后的諧波電流柱狀圖和諧波電壓柱狀圖，從諧波電流柱狀圖可以明顯觀察出3次諧波基本被消除，其他各次諧波也有一定降低，電壓中的諧波含量也有一定程度的降低，特別是補償前較多的2次和3次諧波電壓。
從補償結(jié)果可以看出，有源濾波器可以適應焊接車間內(nèi)的工作環(huán)境，即使是面對瞬間產(chǎn)生和消失的諧波電流也能正常捕捉并進行補償，且補償效果十分理想，基本消除焊機產(chǎn)生的諧波電流，同時對諧波電壓也有較強的抑制作用。
3安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型
(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；
(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；
(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；
(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，使用方便，易于操作和維護；
(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；
(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；
3.2型號說明
3.3尺寸說明
3.4產(chǎn)品實物展示
ANAPF有源濾波器
4安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>
AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
4.2型號說明
AZC系列智能電容器選型：
AZCL系列智能電容器選型：
4.3產(chǎn)品實物展示
AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊
安科瑞無功補償裝置智能電容方案
5結(jié)語
目前，我國汽車保有量持續(xù)快速上漲，汽車制造業(yè)新建、擴建、改建項目源源不斷，新技術(shù)、新產(chǎn)線、新設備持續(xù)投入使用，配電網(wǎng)中非線性負荷的比例還在不停增加，諧波理的需求非常大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和材料成本的下降，有源濾波器的成本也會隨之下降，采用有源濾波器進行諧波治理會成為愈來愈多車企的選擇，能夠靈活配置、快速響應的有源濾波器，將會在諧波治理這一領域得到更廣泛的應用。
參考文獻
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