汽车厂焊装车间配电设计优化

电气设计一般采用需要系数法、单位指标法等进行负荷计算,而各工业设计院大多采用需要系数法。汽车工厂焊装车间多采用此设计方式,而实际上在达到生产线规划产能的情况下,电气实际运行负荷仍远远小于设计负荷(计算负荷),这就要求在计算焊机负荷时,负载持续率、需要系数的取值需要结合实际确定。

问题的提出

焊接工艺及设备部门提供的设计依据数据多是设备供应商反馈而来,而设备供应商在提供设备的电气负荷时,都会留有较大的备用余量。例如焊装车间常用的悬挂点焊机DN3 - 200参数:额定容量200 kVA;额定初级电压,单相 AC 380 V,50 Hz;额定初级电流526 A;负载持续率50 %。KR机器人参数:额定容量75 kVA;额定初级电压,三相AC 380 V,50 Hz;额定初级电流,无;负载持续率10 %。

设计院设计时会按照工艺提供的参数进行计算。焊装车间若采用200~300台这样的焊机,计算出的电气负荷将远远大于实际运行负荷,造成大量额外投资。这种现象在很多汽车工厂多次出现。

为此,本文以某大型汽车工厂焊装车间的配电为例,其规划生产节拍为30 JPH(JPH是Jobs Per Hour的缩写,表示小时工作量或单位时间工作量),实际生产节拍基本在18 ~ 26 JPH之间,结合设计规范理论值,对焊机的需要系数取值、变压器负荷情况进行分析,供后续设计参考。

负荷分析

生产线负荷分配

某焊装车间规划利用现有生产线进行改造,故焊接配电均利用现有4台变压器,重新分配负荷。具体分配区域如图1所示。

本次以15#、16#变压器所带负荷验证负载持续率、需要系数取值,其主要设备参数如表1、表2所示。

工频焊机的负载持续率

负载持续率(又称暂载率)是指设备在一定电流下连续工作的能力,为一个工作周期内工作时间t 与工作周期T 的百分比,用εn表示,即εn =t /T ×100%。

《工业与民用供配电设计手册》(4版,以下简称4版《手册》)表1.4 - 1提供了点焊机、焊接机器人的需要系数Kx、功率因数cos φ取值:DN3系列悬挂点焊机Kx = 0.35,cos φ = 0.6;焊接机器人Kx = 0.2,cos φ = 0.6;而对于汽车行业经常使用的DN3 - 200、DN3 - 250等大容量悬挂点焊机的负荷持续率在4版《手册》表12.4 - 4中并未列出。

结合某汽车工厂焊装车间白车身点焊参数推荐库里钢板的预压时间、加压时间、焊接时间、维持时间的标准值综合计算,负载持续率均值εn = 20 % 左右,详见表3。

针对每条生产线的钢板的预压时间、加压时间、焊接时间、维持时间的实际值计算,主焊线、下部线、侧围线、后地板、发舱、门盖、主线分装的焊机负载持续率εn分别为18 %、19.9 %、19.57 %、20.43 %、19.9 %、19.27 %、18.66 %。故悬挂点焊机、焊接机器人的负载持续率取值为εn = 20 % 左右是比较切合实际的,不建议按设备本身标注的50 %取值。

15#、16#变压器负荷理论计算

首先将悬挂点焊机的两相负荷换算为三相负荷,计算结果如表4、表5所示。

其次,按设计手册中同期系数建议值考虑,有功功率同期系数K∑p可取0.8 ~ 0.9,无功功率同期系数K∑p可取0.93 ~ 0.97,此处按低值计算,15#、16#变压器的负荷率为57 %、72 %。15#、16#变压器理论计算结果如表6、表7所示。

因焊装车间是改造工程,变压器为利旧,负荷率较低;变压器实际运行中,负荷率宜在75 % ~ 85 %之间,长期负荷率不宜大于85 %。

15#、16#变压器负荷现状分析

15#、16#变压器容量均为2 000 kVA,供电由5#开闭所同一台10 kV馈电柜接入,馈电柜的电流互感器变比为150 / 5、电压互感器变比为10 000 / 100,可知计量表记倍率为3 000。

此焊装车间生产节拍为23 JPH时,选取2018年不同日期的不同时间段,统计用电量信息如下:

a. 12月13日生产时间为8:00 - 17:30,电力负荷基本曲线如图2所示,取12:30 - 13:30统计小时段电量为(1 094.27 - 1 094.14)×3 000= 390 kWh。

b. 12月14日生产时间为8:00 - 16:30,电力负荷基本曲线如图3所示,取9:00 - 10:00统计小时段电量为(1 094.91 - 1 094.8)×3 000 = 330 kWh。

c. 12月15日生产时间为8:00 - 16:30,电力负荷基本曲线如图4所示,取9:00 - 10:00统计小时段电量为(1 096.05 - 1 095.93)×3 000 = 360 kWh。

d. 12月26日生产时间为16:00 - 24:00,电力负荷基本曲线如图5所示,取20:30 - 21:30统计小时段电量为(1 100.71 - 1 100.59)×3 000 = 360 kWh。

生产节拍为26 JPH,2017年7月21日生产时间为00:30 - 16:30时,取1:00 - 2:00统计小时段电量为1 516 080 - 1 515 630 = 450 kWh。

生产节拍为19.6 JPH,2016年12月份选取2个时间段,统计小时段电量如下:2016年12月13日9:00 - 10:00,耗电量:883 830 - 883 500 = 330 kWh;2016年12月16日9:00 - 10:00,耗电量:901 530 - 901 200 = 330 kWh。

由以上数据可知:生产节拍为19.6 JPH时,15#、16#变压器最大平均负荷率为Pj / Pn = 330 / (4 000×0.8) = 10.3 %;生产节拍为23 JPH时,15#、16#变压器最大平均负荷率为Pj /Pn = 390 /(4 000×0.8)= 12.2 %;生产节拍为26 JPH时,15#、16#变压器最大平均负荷率为Pj / Pn= 450 / (4 000×0.8)= 14 %。图6是不同生产节拍时变压器负荷情况。

15#、16#变压器负荷全面计算分析

需要系数计算法实际是源于负荷曲线的分析,配电设计手册中对悬挂点焊机、焊接机器人的需要系数理论值有规定,但设计手册中亦明确说明,为保持通用性,所列系数通常偏大,尤其是缺乏实测数据时。

由以上记录的变压器负荷率数据或即使按焊机需要系数Kx = 0.1计算可知(如表8、表9所示),电气设备实际运行时,焊机的需要系数值远没有这么大。

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