数控机床中变频器的谐波干扰及抑制措施.pdf

机床 电器 2 0 1 0 4 P L C 变频器 计算机数控机床中变频器 的谐波干扰及抑制措施 数控机床 中变频器的谐波干扰及抑 制措施 张红莲( 华北电力大学 ， 0 7 1 0 0 3 ) 摘要： 本文针对变频器在数控车床应用中的谐波干扰问题进行了分析 ， 在实际工程应用中， 通过在传播途径和干 扰源方面采取有效抗干扰措施 ： 加装滤波器 、 信号线采用屏蔽线、 合理接地， 来保证数控车床的稳定性， 提高加工 精度。 关键词 ： 变频器 ； 数控机床 ； 谐波干扰 中图分类号 ： T M 9 2 1 5 1 ； T N 9 7 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 4 0 4 2 0 ( 2 0 1 0 ) 04 0 0 4 4 0 2 0引言 影响。 在经济型数控机床中， 由变频器和三相异步电机 构成主轴变频调速系统 ， 具有很好 的调速性 能 ， 节能效 果明显。但是变频器的应用， 也带来 了谐波干扰 的 问题 。 1 变频器 的谐 波干扰 变频器主电路一般是交流 一直流 一交流模式 ， 对 电网来说是非线性负载 ， 变频器换 流产 生的高次谐 波 ， 在其输入端将使 电源的电压波形和电流波形发生畸 变 ， 对与其共 电源的其 它设 备直接 造成 干扰 。逆 变器 采用 S P WM 技 术 ， 当工 作 于 开关 模 式并 作 高速 切 换 时 ， 产生大量 耦合性 噪声 ， 其 输 出端 的高次 谐波 ， 通 过 感应 、 辐射 、 地线系统等途径 ， 对相关设备造成干扰。 变频器产生的谐波辐射干扰能量主要是经电源线 和电机电缆线的传导向外传播的。 1 1 电机 电缆 线 连接 电机的 电缆 线有 较强 的电磁 干扰 电流 ， 但 它 对周围产生的电磁干扰随距离的增加而迅速衰减。 1 2 电源 线 电源线上 的 电磁 干 扰 电压 比电机 电 缆线 上 的 要 低 ， 但电源线布线长， 面积大， 相当于一个发射天线。 对电网上的其它设备产生影响， 因此电源线是电磁干 扰的主要传播源。 1 3 接 地线 变频器及 电机机座的接地线存在着 电磁干扰 电 压 ， 变频器输 出端是 电磁干扰 电流源 ， 电机电缆和绕组 对地的分布电容对电磁干扰电流呈低阻抗 ， 因而电磁 干扰电流经过地和变频器接地线流回变频器， 处在变 频器和电机接地点附近的电气设备易受到电磁干扰的 4 4 2 谐波干扰对数控车床的影响 2 1 对编 码器 的干扰 加装编 码器来 测 量主轴 转速 ， 并形 成闭环 调速 控 制系统。编码器与机床主轴联接 ， 机床主轴每转一圈 编码器就发出一定数 目的矩形脉冲， 根据这些矩形脉 冲个数及其所经历的时间， 就可以确定机床主轴转速。 由于变频器在工作时输出信号产生的高次谐波， 在编 码器工作时将叠加到它输出的矩形脉冲上。若使用这 些叠加了高次谐波的矩形脉冲作为计数脉冲， 在使用 外触发计 时计数 测速法时 ， 当这些谐波尖峰到来 时 ， 系 统将尖峰的上升沿误认为是编码器发出的矩形脉冲的 上升沿而出现误计数 ， 则必将得出错误的测速结果。 2 2 对 主轴 电机的 干扰 谐 波 电压或 电流会在 电机 的定 子绕组 、 转子 回路 以及定子 和转 子铁心 中引起附加损耗 。由于 涡流和集 肤效应的关系， 定子和转子导体内的这些附加损耗 比 直流电阻引起的损耗大。 谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。 用变频器驱动 电动机时 ， 由于输 出电压 和电流 中含有 高次谐 波分量 ， 气 隙 的高 次 谐 波磁 通增 加 ， 使 噪声 增 大。电磁噪声有以下特征 ： 由于变频器输出中的低次 谐波分量与转子固有机械频率相 同产生谐振， 则转子 固有频率附近的噪声增大。变频器输出中的高次谐波 分量与铁心机壳轴承架等谐振， 在这些部件的各 自固 有频率附近处 的噪声增大 。 数控机床在没有采取抗干扰措施时， 主轴电动机 在工作时发出刺耳的噪声 ， 并且因主轴编码器测速显 示转速存在波动， 电动机也存在轻微的振动。 P L C 变频器 计算机数控机床中变频器的谐波干扰及抑制措施 机床电器 2 0 1 0 4 2 3 对变压器的干扰 数控车床电气柜中安装了伺服变压器和电源变压 器。在高次谐波电压的作用下 ， 变压器绕组将产生集 肤效应和邻近效应。在绕组中引起附加铜耗 ， 同时也 使铁耗相应增加。另外 3的倍数次零序电流会在 接 法的绕组内产生环流 ， 这一额外的环流可能会使绕组 电流超过额定值 。对于带不对称负载 的变压器来说 ， 如果负载电流中含有直流分量 ， 会引起变压器的磁路 饱和 ， 大大增加 了交 流激磁 电流 的谐波分量 。 2 4 对数控系统的干扰 数控车床在试加工零件 的运行过程 中， 偶尔会 出 现一次主轴突然停止， 而刀架继续运行 的危险现象。 这时观察变频器的工作信号， 变频器上显示 出的则是 主轴停止信号。而在工作程序 中， 主轴是不应该停止 的， 而变频器却发出了主轴停止信号， 如果是因为数控 系统或变频器引起的， 那么这种情况必然会经常发生 ， 偶尔出现一次， 可能是 由干扰信号引起的。 3 变频器谐波 干扰 的抑制措施 为防止干扰 ， 可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。 其 中硬件抗 干扰是 最基 本 和最 重要 的抗 干扰措 施 ， 一 般从抗和防两方面人手来抑制干扰 ， 其总原则是抑制 和消除干扰源、 切断干扰对系统的耦合通道 、 降低系统 干扰信号的敏感性。工程上可采用隔离、 滤波 、 屏蔽、 接地等方法 。 3 1 隔 离 干扰 的隔离是 指从 电路上把 干扰源 和易受干扰 的 部分隔离开来 ， 使它们不发生电的联系。在变频调速 传动系统中， 通常是在 电源和放大器电路之间的电源 线上采用隔离变压器以免传导干扰。 3 2 滤 波 设置滤波器是为了抑制干扰信号从变频器通过 电 源线传导干扰到电源及 电动机 ， 为减少 电磁噪声和损 耗 ， 在变频 器输 出侧 可设 置输 出滤 波器 。为减 少对 电 源的干扰， 可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线 路中有敏感 电子设备 ， 可在 电源线上设置 电源噪声滤 波器 ， 以免传导干扰。 3 3 屏 蔽 屏蔽 干扰源是 抑制干扰 的最有效 的方 法 。通 常变 频器本身用铁壳屏蔽 ， 不让其电磁干扰泄漏。输出线 最好用钢管屏蔽， 特别是 以外部信号控制变频器时 ， 要 求信号线尽可能短 ( 一般为 2 0 m以内) ， 且信号线采 用双芯屏 蔽 ， 并与 主电路 及控制 回路 完全分离 ， 不能放 于同一配管或线槽 内， 周围电子敏感设备线路也要求 屏蔽。为使屏蔽有效 ， 屏蔽罩必须可靠接地。 3 4接地 接地 是抑制 噪声 和防止干扰 的重要手段 。 良好 的 接地方式可在很大程度上抑制 内部噪声的耦合 ， 防止 外部干扰的侵入 ， 提高系统的抗干扰能力。变频器的 接地方式有多点接地、 一点接地及经母线接地等几种 形式 。 单点接地指在一个电路或装置中， 只有一个物理 点定义为接地 点 ， 在低频 下的性能好 ； 多点接地 是指装 置中的各个接地点都直接接到距它最近的接地点， 在 高频下的性能好； 混合接地是根据信号频率和接地线 长度 ， 系统 采用单 点 接地 和 多点接 地 共用 的方 式 。变 频器本身有专用接地端子 P E端 ， 从安全和降低噪声 的需要出发， 必须接地。既不能将地线接在电器设备 的外壳上 ， 也不能接在零线上 ， 可用较粗 的短线一端接 到接地端子 P E端， 另一端与接地极相连， 接地电阻取 值 1 0 0 n， 接地线长度在 2 0 m以内， 并注意合理选择 接地 的位 置。当 系统 的抗 干扰 能力 要求 较 高时 ， 为减 少对电源的干扰 ， 在 电源输入端 可加装 电源滤波器。 为抑制变频器输入侧的谐波电流 ， 改善功率因数 ， 可在 变频器输入端加装交流电抗器 ， 其选用与否可视 电源 变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程 度而定 ， 在为改善变频器输 出电流 ， 减少电动机噪声 ， 可在变频 器输 出端加装 交流 电抗 器。 3 5 正确 安装 正确的安装可以确保变频器安全和无故障运行 ， 变频器不能安装在经常发生振动的地方， 对振动冲击 较大的场合， 应采用加橡胶垫等防振措施； 不能安装在 电磁干扰源附近。安装工艺要求如下 ： a 确保控制柜中的所有设备接地 良好， 应该使用 短、 粗的接地线( 最好采用扁平导体或金属 网， 因其在 高频时阻抗较低) 连接到公共地线上。按国家标准规 定 ， 其接地电阻应小于 4 n。另外与变频器相连 的控 制设备( 如 P L C或 P I D控制仪 ) 要与其共地 ； b 安装布线时将 电源线和控制电缆分开， 例如使 用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电 缆交叉 ， 应成 9 0 。 交叉布线； ( 下转第 5 9页) 一 45 应用 交流 电器生产企业 R O H S化思考和应对 机床 电器 2 0 1 0 4 时， 容易生成卤化物如 H C I ， H B r 等有毒气体， 造成二 次危害， 因此国家现在逐步禁止使用。但是国家也没 有出台相关标准 ， 只要无卤素就符合无 卤阻燃剂的标 准 ， 在燃 烧时不挥 发 ， 不会产生 有毒气体 。随着对 阻燃 要求的提高和环保意识的增强， 阻燃剂的无卤化已迫 在眉睫。无卤阻燃剂也就是环保阻燃剂主要有 ： a 红 磷 阻燃 ， 颜 色有 缺憾 b 氮 系 阻燃 ， 前景 无 限 ， 价 格 昂 贵 ； e 硅 系阻燃， 透明阻燃 ， 没有普遍采用 ； d 无机 阻 燃 ， 性 能不是很好 。 2 电器 生产企 业积极 的应对 2 1 正确应用豁免指令。企业必须正确理解 R O H S 的豁免条款， 有效确定相应 的产品是否在 R O H S指令 适用 的豁免范 围内。同时企业还应 征得 欧盟 企业 的认 可 。此外 ， 对于成本较 高的原材料 ， 企 业要争 取用 可豁 免 的非绿 色环保材料来 替代 。而当企业一旦 遭遇 产 品 退运、 扣押时， 机电出口企业可以通过向当地检验检疫 部门或行业协会咨询 ， 看产 品是否可以属于豁免清单 范 围内 ， 以避免不必要 的损失 。 2 2 控制加工环节和供应链 ， 寻求替代技术。R O H S 指令被称为迄今为止 电子电气产品最严厉 的环保法 规。然而有些情况下机电出口企业深感负担较重 ， 例 如生产中部分物料( 如有铅焊) 本身因为含有有害物 质而被淘汰， 同时新的替代物( 无铅焊 ) 单价 高、 生产 工艺不成熟、 生产成本上涨。所以， 企业采购部门应 当 严格要求供货商提供指定检测机构的 R O H S检测合格 报告， 并要求其提供所供产 品与检测产品的一致性保 证。这样就能从源头上控制供应链的每一个环节。对 于国际上严格禁用的有毒有害物质， 机电出口企业应 当尽早寻求替代技术 ， 改进产品技术构成， 提高产品的 环保性 能 ， 从而促进 产业升级 ， 加快 调整产业结构 。 2 3 实时关注 R O H S指令的动态。R O H S指令的豁免 清单每4年更新一次， 欧盟考虑到在电子电气行业中部 分禁用的材料还没有适用的替代品进行评估， 所以确定 它们可以在一定范围内豁免。根据时代发展和环保要 求， R O H S等指令会进行及时修订。这些技术法规、 标准 的动态及时收集， 有助于企业尽早采取应对措施 ， 优化 自身产品结构 ， 不断提高产品的市场竞争力。 2 4 建立闭环对接。企业不管从采购供应、 质量检 测、 技术指导 、 入库出库等各个方 面都应建立健全， 时 刻关注环保指令 的动态， 通过行业协会、 欧盟客户、 代 理商 、 国外机构等各种渠道了解信息， 扩展消息来源 ， 全面掌握 相关动态 。 3 结束语 随着环保意识的不断加强， 我国也在积极推行绿 色环保法规 。绿色环保 是一个必然 的趋势 。机 电 出 口 企