電氣設(shè)計(jì)一般采用需要系數(shù)法、單位指標(biāo)法等進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，而各工業(yè)設(shè)計(jì)院大多采用需要系數(shù)法。汽車(chē)工廠焊裝車(chē)間多采用此設(shè)計(jì)方式，而實(shí)際上在達(dá)到生產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能的情況下，電氣實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷（計(jì)算負(fù)荷），這就要求在計(jì)算焊機(jī)負(fù)荷時(shí)，負(fù)載持續(xù)率、需要系數(shù)的取值需要結(jié)合實(shí)際確定。
問(wèn)題的提出
焊接工藝及設(shè)備部門(mén)提供的設(shè)計(jì)依據(jù)數(shù)據(jù)多是設(shè)備供應(yīng)商反饋而來(lái)，而設(shè)備供應(yīng)商在提供設(shè)備的電氣負(fù)荷時(shí)，都會(huì)留有較大的備用余量。例如焊裝車(chē)間常用的懸掛點(diǎn)焊機(jī)DN3 - 200參數(shù)：額定容量200 kVA；額定初級(jí)電壓，單相 AC 380 V，50 Hz；額定初級(jí)電流526 A；負(fù)載持續(xù)率50 %。KR機(jī)器人參數(shù)：額定容量75 kVA；額定初級(jí)電壓，三相AC 380 V，50 Hz；額定初級(jí)電流，無(wú)；負(fù)載持續(xù)率10 %。
設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)按照工藝提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。焊裝車(chē)間若采用200～300臺(tái)這樣的焊機(jī)，計(jì)算出的電氣負(fù)荷將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，造成大量額外投資。這種現(xiàn)象在很多汽車(chē)工廠多次出現(xiàn)。
為此，本文以某大型汽車(chē)工廠焊裝車(chē)間的配電為例，其規(guī)劃生產(chǎn)節(jié)拍為30 JPH（JPH是Jobs Per Hour的縮寫(xiě)，表示小時(shí)工作量或單位時(shí)間工作量），實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍基本在18 ~ 26 JPH之間，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范理論值,對(duì)焊機(jī)的需要系數(shù)取值、變壓器負(fù)荷情況進(jìn)行分析，供后續(xù)設(shè)計(jì)參考。
負(fù)荷分析
生產(chǎn)線負(fù)荷分配
某焊裝車(chē)間規(guī)劃利用現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行改造，故焊接配電均利用現(xiàn)有4臺(tái)變壓器，重新分配負(fù)荷。具體分配區(qū)域如圖1所示。
本次以15#、16#變壓器所帶負(fù)荷驗(yàn)證負(fù)載持續(xù)率、需要系數(shù)取值，其主要設(shè)備參數(shù)如表1、表2所示。
工頻焊機(jī)的負(fù)載持續(xù)率
負(fù)載持續(xù)率（又稱暫載率）是指設(shè)備在一定電流下連續(xù)工作的能力，為一個(gè)工作周期內(nèi)工作時(shí)間t 與工作周期T 的百分比，用εn表示，即εn =t /T ×100%。
《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（4版，以下簡(jiǎn)稱4版《手冊(cè)》）表1.4 - 1提供了點(diǎn)焊機(jī)、焊接機(jī)器人的需要系數(shù)Kx、功率因數(shù)cos φ取值：DN3系列懸掛點(diǎn)焊機(jī)Kx = 0.35，cos φ = 0.6；焊接機(jī)器人Kx = 0.2，cos φ = 0.6；而對(duì)于汽車(chē)行業(yè)經(jīng)常使用的DN3 - 200、DN3 - 250等大容量懸掛點(diǎn)焊機(jī)的負(fù)荷持續(xù)率在4版《手冊(cè)》表12.4 - 4中并未列出。
結(jié)合某汽車(chē)工廠焊裝車(chē)間白車(chē)身點(diǎn)焊參數(shù)推薦庫(kù)里鋼板的預(yù)壓時(shí)間、加壓時(shí)間、焊接時(shí)間、維持時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)值綜合計(jì)算，負(fù)載持續(xù)率均值εn = 20 % 左右，詳見(jiàn)表3。
針對(duì)每條生產(chǎn)線的鋼板的預(yù)壓時(shí)間、加壓時(shí)間、焊接時(shí)間、維持時(shí)間的實(shí)際值計(jì)算，主焊線、下部線、側(cè)圍線、后地板、發(fā)艙、門(mén)蓋、主線分裝的焊機(jī)負(fù)載持續(xù)率εn分別為18 %、19.9 %、19.57 %、20.43 %、19.9 %、19.27 %、18.66 %。故懸掛點(diǎn)焊機(jī)、焊接機(jī)器人的負(fù)載持續(xù)率取值為εn = 20 % 左右是比較切合實(shí)際的，不建議按設(shè)備本身標(biāo)注的50 %取值。
15#、16#變壓器負(fù)荷理論計(jì)算
首先將懸掛點(diǎn)焊機(jī)的兩相負(fù)荷換算為三相負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示。
其次，按設(shè)計(jì)手冊(cè)中同期系數(shù)建議值考慮，有功功率同期系數(shù)K∑p可取0.8 ~ 0.9，無(wú)功功率同期系數(shù)K∑p可取0.93 ~ 0.97，此處按低值計(jì)算，15#、16#變壓器的負(fù)荷率為57 %、72 %。15#、16#變壓器理論計(jì)算結(jié)果如表6、表7所示。
因焊裝車(chē)間是改造工程，變壓器為利舊，負(fù)荷率較低；變壓器實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷率宜在75 % ~ 85 %之間，長(zhǎng)期負(fù)荷率不宜大于85 %。
15#、16#變壓器負(fù)荷現(xiàn)狀分析
15#、16#變壓器容量均為2 000 kVA,供電由5#開(kāi)閉所同一臺(tái)10 kV饋電柜接入，饋電柜的電流互感器變比為150 / 5、電壓互感器變比為10 000 / 100，可知計(jì)量表記倍率為3 000。
此焊裝車(chē)間生產(chǎn)節(jié)拍為23 JPH時(shí)，選取2018年不同日期的不同時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)用電量信息如下：
a. 12月13日生產(chǎn)時(shí)間為8：00 - 17：30，電力負(fù)荷基本曲線如圖2所示，取12：30 - 13：30統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量為（1 094.27 - 1 094.14）×3 000= 390 kWh。
b. 12月14日生產(chǎn)時(shí)間為8：00 - 16：30，電力負(fù)荷基本曲線如圖3所示，取9：00 - 10：00統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量為(1 094.91 - 1 094.8)×3 000 = 330 kWh。
c. 12月15日生產(chǎn)時(shí)間為8：00 - 16：30，電力負(fù)荷基本曲線如圖4所示，取9：00 - 10：00統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量為（1 096.05 - 1 095.93）×3 000 = 360 kWh。
d. 12月26日生產(chǎn)時(shí)間為16：00 - 24：00，電力負(fù)荷基本曲線如圖5所示，取20：30 - 21：30統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量為（1 100.71 - 1 100.59）×3 000 = 360 kWh。
生產(chǎn)節(jié)拍為26 JPH，2017年7月21日生產(chǎn)時(shí)間為00：30 - 16：30時(shí)，取1：00 - 2：00統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量為1 516 080 - 1 515 630 = 450 kWh。
生產(chǎn)節(jié)拍為19.6 JPH,2016年12月份選取2個(gè)時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)小時(shí)段電量如下：2016年12月13日9:00 - 10:00,耗電量：883 830 - 883 500 = 330 kWh；2016年12月16日9:00 - 10:00，耗電量：901 530 - 901 200 = 330 kWh。
由以上數(shù)據(jù)可知：生產(chǎn)節(jié)拍為19.6 JPH時(shí)，15#、16#變壓器最大平均負(fù)荷率為Pj / Pn = 330 / （4 000×0.8） = 10.3 %；生產(chǎn)節(jié)拍為23 JPH時(shí)，15#、16#變壓器最大平均負(fù)荷率為Pj /Pn = 390 /（4 000×0.8）= 12.2 %；生產(chǎn)節(jié)拍為26 JPH時(shí)，15#、16#變壓器最大平均負(fù)荷率為Pj / Pn= 450 / （4 000×0.8）= 14 %。圖6是不同生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)變壓器負(fù)荷情況。
15#、16#變壓器負(fù)荷全面計(jì)算分析
需要系數(shù)計(jì)算法實(shí)際是源于負(fù)荷曲線的分析，配電設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)懸掛點(diǎn)焊機(jī)、焊接機(jī)器人的需要系數(shù)理論值有規(guī)定，但設(shè)計(jì)手冊(cè)中亦明確說(shuō)明，為保持通用性，所列系數(shù)通常偏大，尤其是缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)。
由以上記錄的變壓器負(fù)荷率數(shù)據(jù)或即使按焊機(jī)需要系數(shù)Kx = 0.1計(jì)算可知（如表8、表9所示），電氣設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，焊機(jī)的需要系數(shù)值遠(yuǎn)沒(méi)有這么大。
綜合理論與實(shí)際，建議焊裝負(fù)荷在采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，點(diǎn)焊機(jī)的需要系數(shù)Kx可由0.35調(diào)整至0.1甚至更小,焊機(jī)的負(fù)載持續(xù)率εn可從0.5降低到0.2；與設(shè)備供貨商提供的設(shè)備參數(shù)及4版《手冊(cè)》焊機(jī)類(lèi)設(shè)備需要系數(shù)相比較，可適當(dāng)降低需要系數(shù)值及負(fù)載持續(xù)率值，在滿足設(shè)備正常工作的情況下，可使得汽車(chē)工廠焊裝車(chē)間的焊接變壓器安裝容量的選擇更為經(jīng)濟(jì)、合理。
