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关键词：
措施 , 电压 , 畸变 , 数控机床 , 危害
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电压畸变对数控机床的危害及应对措施
[文章摘要] 本文给出了常见的电网电压畸变类型，分析了电压畸变对数控机床的危害，并提出了防止措施。对数控机床的日常维护，特别是在普通机床的数控改造中有一定的指导意义。
[关 键 词] 电压波动 数控机床 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
数控技术及数控设备已成为当今中国工业设备、制造业中不可忽视的关键技术和设备，因此保障数控设备的稳定、可靠运行已成为一个国家工业化发展水平的重要标志和关键因素，而数控设备的稳定、可靠运行则需要稳定的能量供应，即高品质的电力供应，如按欧美电网波动标准生产的进口数控系统，对电网电压波动的承受能力为±5%（早期产品），最大到±10%（晚期产品），超过此范围则瞬间保护停机；日本FANUC公司生产的数控系统，允许电网电压在额定值的85%～110%的范围内波动,如果超出此范围，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件损坏[1]，[2]、。
但是随着我国国民经济的快速发展，对电力的需求量进一步加大，导致全国范围内供电日趋紧张，拉闸限电状况时有发生,使电力品质下降, 同时随着非线形负载如变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、不间断电源(UPS) 、节能荧光灯系统等大量接入电网，这些非线性负载导致电网污染，使电力品质受到严重影响而日趋恶化。据美国海军装备部门及AT&T公司的研究，电力品质恶化主要表现在以下方面[3]，[4]：电压波动、谐波、浪涌冲击、三相不平衡等。这种电力品质下降严重地影响了数控设备的正常运行，引起设备故障, 甚至引发严重火灾事故等，电压畸变已引起世界各国的广泛关注，纷纷出台治理措施和相关标准，并对产生电力污染的设备提出明确的限制。
2 电压畸变对数控机床的影响
2.1 电压波动（-15%~10%）
电压波动持续时间从10ms到2.5s, 包括过压和欠压波动。普通避雷器和过/欠电压保护器，完全不能消除电压波动。这种情况往往很容易忽视掉，这是导致数控系统和敏感设备故障或停机的主要原因。
1、过电压
过电压会引起数控系统过压报警或造成减速时过压报警或烧坏制动电阻及制动管(IGBT)或过热报警，如果电压过高则会引起数控系统中特别是伺服驱动系统承压元件击穿短路，或电动机定子绕组发热烧损。
2、欠电压
欠电压供电时引起电动机输出扭矩减小，转子铜耗增大，如果系统长时间处欠电压状态，则由于电流过大而引起过热报警；若电压过低，数控系统欠压报警，当CNC供电低于DC21.6V时，则使数控系统死机或重起而使系统参数丢失，
3、电压波动
电压波动主要表现为电压忽高忽低，或短时中断，会造成供电三相不平衡使电动机运行不平稳；CNC死机复位，导致数据丢失；继电器及接触器抖动，误动作，或数控系统乱报过压/过流甚至失控；伺服驱动模块直流母线电压不稳，造成电动机噪声大，振动大，速度不稳，漏电严重等故障。
2.2 浪涌冲击
浪涌冲击是持续时间不超过1ms的电压瞬时脉冲，这种脉冲可以是正极性或负极性，具有连串或振荡性质,并且峰值极高。它们通常也被叫作：尖峰、缺口、干扰、毛刺或突变。电网中的浪涌冲击既可由电网内部大型设备（电机、电容器等）的开断引起，也可由外部雷电波的侵入造成。浪涌冲击容易引起数控系统或伺服驱动部件损坏，引起电气设备绝缘击穿；同时也容易导致CNC系统死机，数据出错。
2.3 谐波干扰
谐波与电力系统中基波叠加，造成波形的畸变，畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。这种脉冲中的谐波电流引起电网电压畸变，形成谐波分量，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流。数控系统中的开关电源、电动机变频调速器或伺服驱动器是典型的非线性负载，在其工作中产生大量的三次或高次谐波电流（>150Hz）。
非线性负载所产生的谐波电流会影响数控系统的多个工作环节，引起CNC系统死机、复位，数据参数丢失，通讯故障及误报警；引起伺服驱动系统变压器、中性线、电动机和电容器等故障，导致变压器、电动机的运行温度(K参数)严重升高。中性线上的过电流（由谐波和不平衡引起）不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，还会引起电动机抖动、失步，而影响加工精度；无功补偿电容器会因电网电压谐波畸变而产生过热，谐波将导致严重过流。
2.4 三相不平衡
三相不平衡会在中性线上产生过电流(由谐波和不平衡引起)不仅使电动机出力不均匀影响加工质量，还会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相电动机线圈中产生环流，导致过热, 甚至引发严重火灾事故等。
3 抑制电压畸变的措施
抑制干扰的发射，切断干扰的传输途径，是提高数控系统的抗电源干扰能力的主要手段，最常采用的是接地、屏蔽、滤波三大技术[5]，[6]，[7]。
3.1 接地技术
接地的含义是提供一个等电位点或电位面,为了防止共地线阻抗干扰,在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为三类，即保护地线（安全接地）、工作地线（工作接地）、屏蔽地线（屏蔽接地）。
1．安全接地 为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，数控机床的机壳、底盘所接地线应与真正大地连接。机床数控系统电源必须对系统提供可靠接地，接地电阻小于4欧，并在控制柜内最近的位置接入PE 接地排。接地排采用不低于3毫米的铜板制作，保证良好接触、导通。同时应注意以下两点：第一．电气控制柜中最好不要引入中线，如果使用中线，必须在安装图、电路图及接线端子上予以明确的N标识。第二．在电气控制柜内部不允许中线与地线联接，也不允许共用一个端子PEN（PE与N短接的端子称PEN端子）。
2．工作接地 在系统中一定要注意工作地线的正确接法，否则非但起不到作用反而可能产生干扰，如共地线阻抗干扰、地环路干扰、共模电流辐射等等。工作接地方式有浮地、单点接地和多点接地。
3．屏蔽接地 为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。如图1所示变频器电机电缆屏蔽层双端接地。
3.2 屏蔽技术
屏蔽技术用来抑制电源及数控机床电气系统的电磁噪声对数控系统和伺服驱动中敏感设备之间由于电磁场耦合而产生的干扰。采取的主要措施如下：
1．系统中的强电设备（伺服驱动器、变频器、步进驱动器、开关电源、电机）金属外壳可靠接地，实现主动屏蔽；
2. 电气控制柜应该采用冷轧钢板制作，为了保证电柜的电磁一致性，采用一体结构或焊接；安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。强电设备与敏感设备之间距离尽可能远，一般在电柜内，强、弱电设备尽量分开安装、布线，保持30cm以上的距离，最小距离为10cm。
3．各位置反馈线、指令给定线、通讯线等弱电信号线必须采用屏蔽电缆，各屏蔽电缆进控制柜时入口处，屏蔽层接地。单股线直径不低于0.2平方毫米，若采用双绞双屏蔽电缆则更佳。敏感设备（如数控装置等）外壳应可靠接地，实现被动屏蔽。
4．良好接地是金属板产生电场屏蔽的先决条件，如不接地或接地不良，则可能产生没有金属板时更严重的干扰。
3.3 电源滤波技术
1、采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰,电源滤波器的作用是双向的，它不仅可以阻止电网中的谐波噪声进入设备，也可以抑制设备产生的谐波污染电网。
电源滤波器安装在电气柜底部交流电线入口处，不能让输入交流电源线在电气柜内绕行很长距离后再接滤波器，以免该线在机柜内辐射噪声；如果电源进线必须经过熔断器和电源开关等器件后才能接到滤波器上，则这段线路应施加屏蔽措施；滤波器金属机壳最好直接安装在金属机柜上，而且应与机柜的接地端子靠得越近越好；滤波器的输入/输出线要分开布置，不能有平行走线，更不应该捆扎在一起，最好采用双绞线，加强抗磁场干扰能力；流过滤波器的电流不允许超过滤波器最大额定电流，否则由于电感器的磁芯产生饱和，从而使电感量大大降低，失去抑制作用。
如图2所示典型电源滤波器中；CY必须有较高的耐压值，CY的容值还受到对滤波器所允许的漏电流大小的限制，一般CY选用2.2nf/2000v的高压瓷片电容，CX选用100nf/1000v的瓷片电容，R选1MΩ/1w的金属膜电阻[8]。
2. 采用吸收型滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲干扰
吸收型低通铁氧体滤波器能有效抑制快速瞬变脉冲串干扰。导线绕在磁环上的圈数越多，滤波效果越好，一般在强电设备（伺服驱动器、变频器）的输入侧一般为4～5圈，但输出侧的圈数必须在4圈以下。磁环与电源滤波器串联使用，则构成EMC滤波器，滤波效果更佳。
但应注意，磁环比较适用于低阻抗电路。如果能在磁环后再并联电容组成类似L-C滤波器，则会大大降低负载阻抗，从而增加滤波效果，如图3所示电源滤波器用在伺服驱动器（或变频器）的输入侧（而不允许用在输出侧）。图中的接地线也可不绕在磁环上，在某些场合，地线不绕在磁环上的滤波效果更佳。
3. 采用隔离变压器供电，解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰，有效抑制电源中的脉冲串、雷击浪涌干扰，同时，隔离变压器对于抗共模干扰也有一定作用。如图4所示为多功能防雷隔离变压器，变压器带有屏蔽层，次级侧的电容器可进一步抑制浪涌中的残留共模噪声。
但应注意隔离变压器的屏蔽层必须直接接地，否则在高频时的共模干扰抑制效果将变差；初级进线与次级出线要分开布置，最好选用双绞线，加强抗磁场干扰能力。
4. 对于电网电压较长时间的欠电压、过电压和电压波动则需要安装交流稳压器给机床数控系统供电。
5. 在感性负载处加吸收电路抑制瞬态噪声，其吸收电路采用R-C灭弧器，且灭弧器应尽量靠近
b) 继电器、接触器、电磁阀等线圈并联R-C灭弧器
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结束语
对数控机床的电源及其它敏感部件经过接地、屏蔽、滤波等技术处理后，特别是普通机床改造的数控机床尤其应该关注其电源处理方案及屏蔽、滤波措施。经过上述技术措施后，在我国目前的电网电压波动频繁的情况下也基本能满足数控机床对电源的要求，保证数控机床的正常、高效地运行。
[参考文献]
[1] B-63833C/02 BEIJING-FANUC 0i-MODEL B 连接说明书[S] BEIJING-FANUC 2002.10
[2] B-63835C/02 BEIJING-FANUC 0i-MODEL B 维修说明书[S] BEIJING-FANUC 2002.10
[3] 张燕宾. SPWM变频调速应用技术(第二版) [M]. 北京:机械工业出版社，2001
[4] 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册(第二版) [M]. 北京:机械工业出版社，2002
[5] B-10143/09 CNC 维修教材Series 16i/18i/21i [S] 发那科学校讲义1999 .7
[6] 任建平 白恩远 王俊元 赵美虹编著 现代数控机床故障诊断及维修[M] 北京 国防工业出版社 2002.7
[7] 白恩远 王俊元 孙爱国编著 现代数控机床伺服及检测技术[M] 北京 国防工业出版社 2002.1
[8] 刘颖 王屹编著 数控机床电气控制[M] 北京清华大学出版社 2005.6
[9] 曾毅等 变频调速控制系统的设计与维护[M] 济南 山东科学技术出版社， 2003
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发表于 2010-5-26 17:42:23