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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