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標題: 電壓畸變對數控機床的危害及應對措施 [打印本頁(yè)]

作者: chenlie20015568 時(shí)間: 2010-5-26 17:42
標題: 電壓畸變對數控機床的危害及應對措施
電壓畸變對數控機床的危害及應對措施
[文章摘要] 本文給出了常見(jiàn)的電網(wǎng)電壓畸變類(lèi)型，分析了電壓畸變對數控機床的危害，并提出了防止措施。對數控機床的日常維護，特別是在普通機床的數控改造中有一定的指導意義。
[關(guān) 鍵詞] 電壓波動(dòng)  數控機床措施
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
數控技術(shù)及數控設備已成為當今中國工業(yè)設備、制造業(yè)中不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)和設備，因此保障數控設備的穩定、可靠運行已成為一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)展水平的重要標志和關(guān)鍵因素，而數控設備的穩定、可靠運行則需要穩定的能量供應，即高品質(zhì)的電力供應，如按歐美電網(wǎng)波動(dòng)標準生產(chǎn)的進(jìn)口數控系統，對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的承受能力為±5%（早期產(chǎn)品），最大到±10%（晚期產(chǎn)品），超過(guò)此范圍則瞬間保護停機；日本FANUC公司生產(chǎn)的數控系統，允許電網(wǎng)電壓在額定值的85%～110%的范圍內波動(dòng),如果超出此范圍，就會(huì )造成系統不能正常工作，甚至會(huì )引起數控系統內部電子部件損壞[1]，[2]、。
但是隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電力的需求量進(jìn)一步加大，導致全國范圍內供電日趨緊張，拉閘限電狀況時(shí)有發(fā)生,使電力品質(zhì)下降, 同時(shí)隨著(zhù)非線(xiàn)形負載如變頻驅動(dòng)或晶閘管整流直流驅動(dòng)設備、計算機、不間斷電源(UPS) 、節能熒光燈系統等大量接入電網(wǎng)，這些非線(xiàn)性負載導致電網(wǎng)污染，使電力品質(zhì)受到嚴重影響而日趨惡化。據美國海軍裝備部門(mén)及AT&T公司的研究，電力品質(zhì)惡化主要表現在以下方面[3]，[4]：電壓波動(dòng)、諧波、浪涌沖擊、三相不平衡等。這種電力品質(zhì)下降嚴重地影響了數控設備的正常運行，引起設備故障, 甚至引發(fā)嚴重火災事故等，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)標準，并對產(chǎn)生電力污染的設備提出明確的限制。
2  電壓畸變對數控機床的影響
2.1  電壓波動(dòng)（-15%~10%）
電壓波動(dòng)持續時(shí)間從10ms到2.5s, 包括過(guò)壓和欠壓波動(dòng)。普通避雷器和過(guò)/欠電壓保護器，完全不能消除電壓波動(dòng)。這種情況往往很容易忽視掉，這是導致數控系統和敏感設備故障或停機的主要原因。
1、過(guò)電壓
過(guò)電壓會(huì )引起數控系統過(guò)壓報警或造成減速時(shí)過(guò)壓報警或燒壞制動(dòng)電阻及制動(dòng)管(IGBT)或過(guò)熱報警，如果電壓過(guò)高則會(huì )引起數控系統中特別是伺服驅動(dòng)系統承壓元件擊穿短路，或電動(dòng)機定子繞組發(fā)熱燒損。
2、欠電壓
欠電壓供電時(shí)引起電動(dòng)機輸出扭矩減小，轉子銅耗增大，如果系統長(cháng)時(shí)間處欠電壓狀態(tài)，則由于電流過(guò)大而引起過(guò)熱報警；若電壓過(guò)低，數控系統欠壓報警，當CNC供電低于DC21.6V時(shí)，則使數控系統死機或重起而使系統參數丟失，
3、電壓波動(dòng)
電壓波動(dòng)主要表現為電壓忽高忽低，或短時(shí)中斷，會(huì )造成供電三相不平衡使電動(dòng)機運行不平穩；CNC死機復位，導致數據丟失；繼電器及接觸器抖動(dòng)，誤動(dòng)作，或數控系統亂報過(guò)壓/過(guò)流甚至失控；伺服驅動(dòng)模塊直流母線(xiàn)電壓不穩，造成電動(dòng)機噪聲大，振動(dòng)大，速度不穩，漏電嚴重等故障。
2.2  浪涌沖擊
浪涌沖擊是持續時(shí)間不超過(guò)1ms的電壓瞬時(shí)脈沖，這種脈沖可以是正極性或負極性，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)內部大型設備（電機、電容器等）的開(kāi)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控系統或伺服驅動(dòng)部件損壞，引起電氣設備絕緣擊穿；同時(shí)也容易導致CNC系統死機，數據出錯。
2.3  諧波干擾
諧波與電力系統中基波疊加，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)而導致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負載產(chǎn)生更多的諧波電流。數控系統中的開(kāi)關(guān)電源、電動(dòng)機變頻調速器或伺服驅動(dòng)器是典型的非線(xiàn)性負載，在其工作中產(chǎn)生大量的三次或高次諧波電流（>150Hz）。
非線(xiàn)性負載所產(chǎn)生的諧波電流會(huì )影響數控系統的多個(gè)工作環(huán)節，引起CNC系統死機、復位，數據參數丟失，通訊故障及誤報警；引起伺服驅動(dòng)系統變壓器、中性線(xiàn)、電動(dòng)機和電容器等故障，導致變壓器、電動(dòng)機的運行溫度(K參數)嚴重升高。中性線(xiàn)上的過(guò)電流（由諧波和不平衡引起）不僅會(huì )使導線(xiàn)溫度升高，造成絕緣損壞，還會(huì )引起電動(dòng)機抖動(dòng)、失步，而影響加工精度；無(wú)功補償電容器會(huì )因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過(guò)熱，諧波將導致嚴重過(guò)流。
2.4  三相不平衡
三相不平衡會(huì )在中性線(xiàn)上產(chǎn)生過(guò)電流(由諧波和不平衡引起)不僅使電動(dòng)機出力不均勻影響加工質(zhì)量，還會(huì )使導線(xiàn)溫度升高，造成絕緣損壞，而且會(huì )在三相電動(dòng)機線(xiàn)圈中產(chǎn)生環(huán)流，導致過(guò)熱, 甚至引發(fā)嚴重火災事故等。
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，是提高數控系統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(gè)等電位點(diǎn)或電位面,為了防止共地線(xiàn)阻抗干擾,在每個(gè)設備中可能有多種接地線(xiàn)，但概括起來(lái)可以分為三類(lèi)，即保護地線(xiàn)（安全接地）、工作地線(xiàn)（工作接地）、屏蔽地線(xiàn)（屏蔽接地）。
1．安全接地為了保護人身和設備的安全，免遭雷擊、漏電、靜電等危害，數控機床的機殼、底盤(pán)所接地線(xiàn)應與真正大地連接。機床數控系統電源必須對系統提供可靠接地，接地電阻小于4歐，并在控制柜內最近的位置接入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、導通。同時(shí)應注意以下兩點(diǎn)：第一．電氣控制柜中最好不要引入中線(xiàn)，如果使用中線(xiàn)，必須在安裝圖、電路圖及接線(xiàn)端子上予以明確的N標識。第二．在電氣控制柜內部不允許中線(xiàn)與地線(xiàn)聯(lián)接，也不允許共用一個(gè)端子PEN（PE與N短接的端子稱(chēng)PEN端子）。
2．工作接地在系統中一定要注意工作地線(xiàn)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(xiàn)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(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。

設
備

圖2 典型的電源線(xiàn)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，相應的地線(xiàn)稱(chēng)為屏蔽地線(xiàn)。如圖1所示變頻器電機電纜屏蔽層雙端接地。

圖1 變頻器電機電纜屏蔽層雙端接地

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

3.3 電源濾波技術(shù)
1、采用電源濾波器抑制電源線(xiàn)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)入設備，也可以抑制設備產(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(xiàn)入口處，不能讓輸入交流電源線(xiàn)在電氣柜內繞行很長(cháng)距離后再接濾波器，以免該線(xiàn)在機柜內輻射噪聲；如果電源進(jìn)線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)熔斷器和電源開(kāi)關(guān)等器件后才能接到濾波器上，則這段線(xiàn)路應施加屏蔽措施；濾波器金屬機殼最好直接安裝在金屬機柜上，而且應與機柜的接地端子靠得越近越好；濾波器的輸入/輸出線(xiàn)要分開(kāi)布置，不能有平行走線(xiàn)，更不應該捆扎在一起，最好采用雙絞線(xiàn)，加強抗磁場(chǎng)干擾能力；流過(guò)濾波器的電流不允許超過(guò)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(xiàn)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。導線(xiàn)繞在磁環(huán)上的圈數越多，濾波效果越好，一般在強電設備（伺服驅動(dòng)器、變頻器）的輸入側一般為4～5圈，但輸出側的圈數必須在4圈以下。磁環(huán)與電源濾波器串聯(lián)使用，則構成EMC濾波器，濾波效果更佳。

圖3 伺服驅動(dòng)器或變頻器濾波電路

但應注意，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(lèi)似L-C濾波器，則會(huì )大大降低負載阻抗，從而增加濾波效果，如圖3所示電源濾波器用在伺服驅動(dòng)器（或變頻器）的輸入側（而不允許用在輸出側）。圖中的接地線(xiàn)也可不繞在磁環(huán)上，在某些場(chǎng)合，地線(xiàn)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(xiàn)環(huán)路電流帶來(lái)的設備與設備之間的干擾，有效抑制電源中的脈沖串、雷擊浪涌干擾，同時(shí)，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

但應注意隔離變壓器的屏蔽層必須直接接地，否則在高頻時(shí)的共模干擾抑制效果將變差；初級進(jìn)線(xiàn)與次級出線(xiàn)要分開(kāi)布置，最好選用雙絞線(xiàn)，加強抗磁場(chǎng)干擾能力。
4. 對于電網(wǎng)電壓較長(cháng)時(shí)間的欠電壓、過(guò)電壓和電壓波動(dòng)則需要安裝交流穩壓器給機床數控系統供電。
5. 在感性負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，且滅弧器應盡量靠近

M
3~

滅弧器

a) 三相交流異步電動(dòng)機并接滅弧器

b) 繼電器、接觸器、電磁閥等線(xiàn)圈并聯(lián)R-C滅弧器

圖5 感性負載R-C滅弧器接線(xiàn)法

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

[參考文獻]
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[8] 劉穎王屹編著(zhù)  數控機床電氣控制[M] 北京清華大學(xué)出版社 2005.6
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作者: pros 時(shí)間: 2010-8-19 15:30
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