電壓畸變對數(shù)控機(jī)床的危害及應(yīng)對措施

chenlie20015568

電壓畸變對數(shù)控機(jī)床的危害及應(yīng)對措施
[文章摘要] 本文給出了常見的電網(wǎng)電壓畸變類型，分析了電壓畸變對數(shù)控機(jī)床的危害，并提出了防止措施。對數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)，特別是在普通機(jī)床的數(shù)控改造中有一定的指導(dǎo)意義。
[關(guān) 鍵 詞] 電壓波動  數(shù)控機(jī)床   措施
The harm of Voltage Distortions to the CNC machines and the prevent measures
GAO Zhong-jun   Zhang Yan
Abstract：This article enumerates the types of voltage distortions, and analyses the harm of the voltage distortions to the CNC machines, and proposed measures to prevent it. There is some guidance in CNC machines for daily maintenance, particularly in the transformation of ordinary machines.
Key Words： Voltage Distortions      CNC Machines    Measures


1          概述
數(shù)控技術(shù)及數(shù)控設(shè)備已成為當(dāng)今中國工業(yè)設(shè)備、制造業(yè)中不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，因此保障數(shù)控設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運行已成為一個國家工業(yè)化發(fā)展水平的重要標(biāo)志和關(guān)鍵因素，而數(shù)控設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運行則需要穩(wěn)定的能量供應(yīng)，即高品質(zhì)的電力供應(yīng)，如按歐美電網(wǎng)波動標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)，對電網(wǎng)電壓波動的承受能力為±5%（早期產(chǎn)品），最大到±10%（晚期產(chǎn)品），超過此范圍則瞬間保護(hù)停機(jī)；日本FANUC公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，允許電網(wǎng)電壓在額定值的85%～110%的范圍內(nèi)波動,如果超出此范圍，就會造成系統(tǒng)不能正常工作，甚至?xí)�引起�?shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電子部件損壞[1]，[2]、。
但是隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力的需求量進(jìn)一步加大，導(dǎo)致全國范圍內(nèi)供電日趨緊張，拉閘限電狀況時有發(fā)生,使電力品質(zhì)下降, 同時隨著非線形負(fù)載如變頻驅(qū)動或晶閘管整流直流驅(qū)動設(shè)備、計算機(jī)、不間斷電源(UPS) 、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等大量接入電網(wǎng)，這些非線性負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)污染，使電力品質(zhì)受到嚴(yán)重影響而日趨惡化。據(jù)美國海軍裝備部門及AT&T公司的研究，電力品質(zhì)惡化主要表現(xiàn)在以下方面[3]，[4]：電壓波動、諧波、浪涌沖擊、三相不平衡等。這種電力品質(zhì)下降嚴(yán)重地影響了數(shù)控設(shè)備的正常運行，引起設(shè)備故障, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等，電壓畸變已引起世界各國的廣泛關(guān)注，紛紛出臺治理措施和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并對產(chǎn)生電力污染的設(shè)備提出明確的限制。
2  電壓畸變對數(shù)控機(jī)床的影響
2.1  電壓波動（-15%~10%）
電壓波動持續(xù)時間從10ms到2.5s, 包括過壓和欠壓波動。普通避雷器和過/欠電壓保護(hù)器，完全不能消除電壓波動。這種情況往往很容易忽視掉，這是導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)和敏感設(shè)備故障或停機(jī)的主要原因。
1、過電壓
過電壓會引起數(shù)控系統(tǒng)過壓報警或造成減速時過壓報警或燒壞制動電阻及制動管(IGBT)或過熱報警，如果電壓過高則會引起數(shù)控系統(tǒng)中特別是伺服驅(qū)動系統(tǒng)承壓元件擊穿短路，或電動機(jī)定子繞組發(fā)熱燒損。
2、欠電壓
欠電壓供電時引起電動機(jī)輸出扭矩減小，轉(zhuǎn)子銅耗增大，如果系統(tǒng)長時間處欠電壓狀態(tài)，則由于電流過大而引起過熱報警；若電壓過低，數(shù)控系統(tǒng)欠壓報警，當(dāng)CNC供電低于DC21.6V時，則使數(shù)控系統(tǒng)死機(jī)或重起而使系統(tǒng)參數(shù)丟失，
3、電壓波動
電壓波動主要表現(xiàn)為電壓忽高忽低，或短時中斷，會造成供電三相不平衡使電動機(jī)運行不平穩(wěn)；CNC死機(jī)復(fù)位，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；繼電器及接觸器抖動，誤動作，或數(shù)控系統(tǒng)亂報過壓/過流甚至失控；伺服驅(qū)動模塊直流母線電壓不穩(wěn)，造成電動機(jī)噪聲大，振動大，速度不穩(wěn)，漏電嚴(yán)重等故障。
2.2  浪涌沖擊
浪涌沖擊是持續(xù)時間不超過1ms的電壓瞬時脈沖，這種脈沖可以是正極性或負(fù)極性，具有連串或振蕩性質(zhì),并且峰值極高。它們通常也被叫作：尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。電網(wǎng)中的浪涌沖擊既可由電網(wǎng)內(nèi)部大型設(shè)備（電機(jī)、電容器等）的開斷引起，也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起數(shù)控系統(tǒng)或伺服驅(qū)動部件損壞，引起電氣設(shè)備絕緣擊穿；同時也容易導(dǎo)致CNC系統(tǒng)死機(jī)，數(shù)據(jù)出錯。   
2.3  諧波干擾
諧波與電力系統(tǒng)中基波疊加，造成波形的畸變，畸變的程度取決于諧波電流的頻率和幅值。這種脈沖中的諧波電流引起電網(wǎng)電壓畸變，形成諧波分量，進(jìn)而導(dǎo)致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負(fù)載產(chǎn)生更多的諧波電流。數(shù)控系統(tǒng)中的開關(guān)電源、電動機(jī)變頻調(diào)速器或伺服驅(qū)動器是典型的非線性負(fù)載，在其工作中產(chǎn)生大量的三次或高次諧波電流（>150Hz）。
非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流會影響數(shù)控系統(tǒng)的多個工作環(huán)節(jié)，引起CNC系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位，數(shù)據(jù)參數(shù)丟失，通訊故障及誤報警；引起伺服驅(qū)動系統(tǒng)變壓器、中性線、電動機(jī)和電容器等故障，導(dǎo)致變壓器、電動機(jī)的運行溫度(K參數(shù))嚴(yán)重升高。中性線上的過電流（由諧波和不平衡引起）不僅會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，還會引起電動機(jī)抖動、失步，而影響加工精度；無功補(bǔ)償電容器會因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過熱，諧波將導(dǎo)致嚴(yán)重過流。  
2.4  三相不平衡
三相不平衡會在中性線上產(chǎn)生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅使電動機(jī)出力不均勻影響加工質(zhì)量，還會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相電動機(jī)線圈中產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致過熱, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等。
3  抑制電壓畸變的措施
抑制干擾的發(fā)射，切斷干擾的傳輸途徑，是提高數(shù)控系統(tǒng)的抗電源干擾能力的主要手段，最常采用的是接地、屏蔽、濾波三大技術(shù)[5]，[6]，[7]。
3.1  接地技術(shù)
接地的含義是提供一個等電位點或電位面,為了防止共地線阻抗干擾,在每個設(shè)備中可能有多種接地線，但概括起來可以分為三類，即保護(hù)地線（安全接地）、工作地線（工作接地）、屏蔽地線（屏蔽接地）。
1．安全接地   為了保護(hù)人身和設(shè)備的安全，免遭雷擊、漏電、靜電等危害，數(shù)控機(jī)床的機(jī)殼、底盤所接地線應(yīng)與真正大地連接。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)電源必須對系統(tǒng)提供可靠接地，接地電阻小于4歐，并在控制柜內(nèi)最近的位置接入PE 接地排。接地排采用不低于3毫米的銅板制作，保證良好接觸、導(dǎo)通。同時應(yīng)注意以下兩點：第一．電氣控制柜中最好不要引入中線，如果使用中線，必須在安裝圖、電路圖及接線端子上予以明確的N標(biāo)識。第二．在電氣控制柜內(nèi)部不允許中線與地線聯(lián)接，也不允許共用一個端子PEN（PE與N短接的端子稱PEN端子）。
2．工作接地   在系統(tǒng)中一定要注意工作地線的正確接法，否則非但起不到作用反而可能產(chǎn)生干擾，如共地線阻抗干擾、地環(huán)路干擾、共模電流輻射等等。工作接地方式有浮地、單點接地和多點接地。

L2

CY

CX

CX

R

設(shè) 備

L1

E

N

L

CY

圖2    典型的電源線濾波器

3．屏蔽接地   為了抑制噪聲，電纜、變壓器等的屏蔽層需接地，相應(yīng)的地線稱為屏蔽地線。如圖1所示變頻器電機(jī)電纜屏蔽層雙端接地。

圖1    變頻器電機(jī)電纜屏蔽層雙端接地

3.2  屏蔽技術(shù)
屏蔽技術(shù)用來抑制電源及數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的電磁噪聲對數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動中敏感設(shè)備之間由于電磁場耦合而產(chǎn)生的干擾。采取的主要措施如下：
1．系統(tǒng)中的強(qiáng)電設(shè)備（伺服驅(qū)動器、變頻器、步進(jìn)驅(qū)動器、開關(guān)電源、電機(jī)）金屬外殼可靠接地，實現(xiàn)主動屏蔽；
2. 電氣控制柜應(yīng)該采用冷軋鋼板制作，為了保證電柜的電磁一致性，采用一體結(jié)構(gòu)或焊接；安裝板采用鍍鋅鋼板，以提高系統(tǒng)的接地性能。強(qiáng)電設(shè)備與敏感設(shè)備之間距離盡可能遠(yuǎn)，一般在電柜內(nèi)，強(qiáng)、弱電設(shè)備盡量分開安裝、布線，保持30cm以上的距離，最小距離為10cm。
3．各位置反饋線、指令給定線、通訊線等弱電信號線必須采用屏蔽電纜，各屏蔽電纜進(jìn)控制柜時入口處，屏蔽層接地。單股線直徑不低于0.2平方毫米，若采用雙絞雙屏蔽電纜則更佳。敏感設(shè)備（如數(shù)控裝置等）外殼應(yīng)可靠接地，實現(xiàn)被動屏蔽。
4．良好接地是金屬板產(chǎn)生電場屏蔽的先決條件，如不接地或接地不良，則可能產(chǎn)生沒有金屬板時更嚴(yán)重的干擾。







3.3  電源濾波技術(shù)
1、采用電源濾波器抑制電源線傳輸電磁干擾,電源濾波器的作用是雙向的，它不僅可以阻止電網(wǎng)中的諧波噪聲進(jìn)入設(shè)備，也可以抑制設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)。
電源濾波器安裝在電氣柜底部交流電線入口處，不能讓輸入交流電源線在電氣柜內(nèi)繞行很長距離后再接濾波器，以免該線在機(jī)柜內(nèi)輻射噪聲；如果電源進(jìn)線必須經(jīng)過熔斷器和電源開關(guān)等器件后才能接到濾波器上，則這段線路應(yīng)施加屏蔽措施；濾波器金屬機(jī)殼最好直接安裝在金屬機(jī)柜上，而且應(yīng)與機(jī)柜的接地端子靠得越近越好；濾波器的輸入/輸出線要分開布置，不能有平行走線，更不應(yīng)該捆扎在一起，最好采用雙絞線，加強(qiáng)抗磁場干擾能力；流過濾波器的電流不允許超過濾波器最大額定電流，否則由于電感器的磁芯產(chǎn)生飽和，從而使電感量大大降低，失去抑制作用。
如圖2所示典型電源濾波器中；CY必須有較高的耐壓值，CY的容值還受到對濾波器所允許的漏電流大小的限制，一般CY選用2.2nf/2000v的高壓瓷片電容，CX選用100nf/1000v的瓷片電容，R選1MΩ/1w的金屬膜電阻[8]。
2. 采用吸收型濾波器抑制電源線中的快速瞬變脈沖干擾
吸收型低通鐵氧體濾波器能有效抑制快速瞬變脈沖串干擾。導(dǎo)線繞在磁環(huán)上的圈數(shù)越多，濾波效果越好，一般在強(qiáng)電設(shè)備（伺服驅(qū)動器、變頻器）的輸入側(cè)一般為4～5圈，但輸出側(cè)的圈數(shù)必須在4圈以下。磁環(huán)與電源濾波器串聯(lián)使用，則構(gòu)成EMC濾波器，濾波效果更佳。

圖3    伺服驅(qū)動器或變頻器濾波電路

但應(yīng)注意，磁環(huán)比較適用于低阻抗電路。如果能在磁環(huán)后再并聯(lián)電容組成類似L-C濾波器，則會大大降低負(fù)載阻抗，從而增加濾波效果，如圖3所示電源濾波器用在伺服驅(qū)動器（或變頻器）的輸入側(cè)（而不允許用在輸出側(cè)）。圖中的接地線也可不繞在磁環(huán)上，在某些場合，地線不繞在磁環(huán)上的濾波效果更佳。
3. 采用隔離變壓器供電，解決地線環(huán)路電流帶來的設(shè)備與設(shè)備之間的干擾，有效抑制電源中的脈沖串、雷擊浪涌干擾，同時，隔離變壓器對于抗共模干擾也有一定作用。如圖4所示為多功能防雷隔離變壓器，變壓器帶有屏蔽層，次級側(cè)的電容器可進(jìn)一步抑制浪涌中的殘留共模噪聲。

浪涌吸收器

輸 入

輸 出

電容

避雷器

靜電屏蔽層

圖4     防雷變壓器

但應(yīng)注意隔離變壓器的屏蔽層必須直接接地，否則在高頻時的共模干擾抑制效果將變差；初級進(jìn)線與次級出線要分開布置，最好選用雙絞線，加強(qiáng)抗磁場干擾能力。
4. 對于電網(wǎng)電壓較長時間的欠電壓、過電壓和電壓波動則需要安裝交流穩(wěn)壓器給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)供電。
5. 在感性負(fù)載處加吸收電路抑制瞬態(tài)噪聲，其吸收電路采用R-C滅弧器，且滅弧器應(yīng)盡量靠近

M 3~

滅弧器

KM

a)  三相交流異步電動機(jī)并接滅弧器

b)   繼電器、接觸器、電磁閥等線圈并聯(lián)R-C滅弧器

圖5    感性負(fù)載R-C滅弧器接線法

結(jié)束語
對數(shù)控機(jī)床的電源及其它敏感部件經(jīng)過接地、屏蔽、濾波等技術(shù)處理后，特別是普通機(jī)床改造的數(shù)控機(jī)床尤其應(yīng)該關(guān)注其電源處理方案及屏蔽、濾波措施。經(jīng)過上述技術(shù)措施后，在我國目前的電網(wǎng)電壓波動頻繁的情況下也基本能滿足數(shù)控機(jī)床對電源的要求，保證數(shù)控機(jī)床的正常、高效地運行。


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