楊海燕
[齊齊哈爾二機床(集團)有限責(zé)任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161005]
我國的數(shù)控機床技術(shù)迅猛發(fā)展,取得了明顯成效。雖然國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)取得了長足的進步,但卻存在許多質(zhì)量問題,具體表現(xiàn)在可靠性差、穩(wěn)定性差、一致性差、制造工藝粗糙等方面[1]。而利用電氣EMC設(shè)計,可以有效地提升數(shù)控機床系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般工作在電磁環(huán)境極其惡劣的施工現(xiàn)場中,如果不控制好電磁干擾,就會容易出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、電動機等部位的異常警報,這類問題處理起來比較復(fù)雜,耗費的時間比較久,影響了正常工作的進度。為了避免這類問題,在數(shù)控機床電氣EMC設(shè)計中,應(yīng)當(dāng)從整體、全面的角度考慮電氣系統(tǒng)的排線布局、電磁屏蔽和接地問題,這是電氣設(shè)計師應(yīng)當(dāng)具備的基礎(chǔ)素質(zhì),也是后期安全生產(chǎn)的保障。因此,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)重視這部分問題,在實際設(shè)計中,嚴(yán)格依照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),認真設(shè)計數(shù)控機床電氣EMC系統(tǒng),確保整體系統(tǒng)的質(zhì)量。
保護接地是防止人身觸電事故、保證電氣設(shè)備正常運行的重要技術(shù)措施[2]。保護接地設(shè)計,是數(shù)控機床電氣EMC設(shè)計中,為了防止機床的金屬外殼、配電裝置(如發(fā)電機等)和線路等帶電設(shè)備發(fā)生觸電危險而進行的設(shè)計。數(shù)控機床中一些絕緣材料,經(jīng)過長期使用,可能就會出現(xiàn)損壞,從而導(dǎo)致絕緣材料帶電,給設(shè)備安全和人身安全帶來隱患。數(shù)控機床電氣系統(tǒng)如果沒有保護接地設(shè)計,當(dāng)一部分絕緣材料損壞時,數(shù)控機床的外殼就會帶電,操作人員一旦接觸到外殼,就會有觸電危險,同時,設(shè)備也會產(chǎn)生短路。為了避免這種情況,保護接地設(shè)計是十分有必要的。保護接地設(shè)計,將一些可能帶電的金屬部分,用導(dǎo)線和接地體連接起來,利用“三相三線制”供電系統(tǒng),一旦設(shè)備發(fā)生漏電或短路,上級的保護接地設(shè)施,如斷路器或者漏電斷路器,會自動脫口,自主切斷設(shè)備電源,以便操作人員檢查維修其中的故障體,這樣就能很好地保證設(shè)備的安全和操作人員的人身安全。
工作接地是指將電力系統(tǒng)的某點(如中性點)直接接大地,或經(jīng)消弧線圈、電阻等與大地金屬連接,如變壓器、互感器中性點接地等[3]。工作接地利用中性點,可以規(guī)定繼電裝置的動作,消除單相電弧接地過電壓,是數(shù)控機床電氣系統(tǒng)運行的“必需品”。同時,利用中性點進行工作接地設(shè)計,當(dāng)電流成為單相短路電流時,能夠迅速切斷電源故障,保障了操作的安全。因此,在EMC設(shè)計中,做好工作接地設(shè)計很有必要。工作接地方式有浮地、單點接地、多點接地和混合接地。工作接地的設(shè)計要點,主要有以下幾個方面。
數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的底線,不能設(shè)計成封閉的環(huán)狀,而是要留有一定的開口。這是為了減少電磁系統(tǒng)的干擾而設(shè)計的,封閉的電路環(huán),會在外界磁場的作用下,產(chǎn)生電流,當(dāng)電流在地線阻抗上有電壓降時,容易產(chǎn)生共阻抗干擾。
一般來說,在設(shè)計數(shù)控機床電氣系統(tǒng)時,設(shè)計師要對電氣系統(tǒng)之間做好隔離,從而減少地線環(huán)路間的共阻抗耦合干擾,而目前比較有用的方式,就是采用隔離變壓器、光電耦合等方式。
設(shè)計數(shù)控機床電氣系統(tǒng)時,應(yīng)當(dāng)對設(shè)備內(nèi)部的各種電路,如功率電路、數(shù)字電路、噪聲電路等,設(shè)置一個相互獨立的地線,保證設(shè)備線路間的安全。
低頻電路是數(shù)控機床設(shè)計的重點,一般來說,低頻電路采用放射式的形狀,單點接地,而其中地線長度不應(yīng)當(dāng)超過地線中高頻電流的波長λ(λ=v/f,λ是波長,v是高頻電流的速度,f是高頻電流頻率的1/20)。
高頻電路是數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵,一般來說,高頻電路是采用平面式的形狀,多點接地或者是混合接地。設(shè)計師應(yīng)當(dāng)把握住這個要點,在設(shè)計中,靈活利用高頻電路。
在一些小規(guī)模的數(shù)控機床中,工作地線一般采用浮置方式進行設(shè)計,這類機床設(shè)備小,電路對金屬外殼的分布電容較?。煌瑫r,這類設(shè)備工作時,可以利用工作速度較低的電路。通過工作接地設(shè)計,有效地提升了數(shù)控機床電氣EMC設(shè)計的質(zhì)量。
數(shù)控機床電氣EMC設(shè)計中,抗干擾措施涉及的內(nèi)容比較多,需要設(shè)計師從多個方面努力。
在實際操作中,由于雷電等天氣因素或者由于其他機床的馬達啟動、靜電、繼電器工作等外界因素,都可能引發(fā)數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的故障,因此,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)采用良好的隔離措施,阻礙外界因素的干擾。例如,在數(shù)控機床的總機上安裝避雷器,就可以隔離外界的雷電干擾;在總機上安裝隔離變壓器,也可以隔離外界干擾。
利用屏蔽措施,抑制數(shù)控機床中電磁波的傳導(dǎo)與輻射。例如,內(nèi)部電路系統(tǒng)可以利用屏蔽電纜,減少電路之間的干擾;模擬信號線應(yīng)當(dāng)有一個獨立自主的走向,各個信號線之間有屏蔽層,從而減少信號線之間的耦合。
設(shè)計師在設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)學(xué)會合理利用電抗器、濾波器等設(shè)備,做好抗干擾工作。例如,濾波器可以減少開關(guān)差模和共模之間的電壓干擾,當(dāng)開關(guān)頻率的基頻和諧波在1 MHz以下時,以差模為主,而在1 MHz以上時,以共模為主。利用濾波器,把濾波器的外殼連接到機床的金屬板上,20 MHz波動頻率會下降至85 dB,這樣可以抑制電磁波。
在數(shù)字機床電氣系統(tǒng)中,又很多觸點,當(dāng)觸點接通和分?jǐn)嚯娏鲿r,往往會產(chǎn)生或熄滅電弧,電弧對機床的危害性不言而喻,因此,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)在設(shè)計時,配備一定的滅弧裝置。常見的滅弧裝置有滅弧罩、油冷滅弧裝置、氣吹滅弧裝置、橫向金屬柵片滅弧、真空滅弧裝置等,各種滅弧裝置都有自己的優(yōu)勢,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計需要,自主選擇合適的滅弧裝置,以解決電弧對機床設(shè)備的影響。
數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的一大特點就是開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁噪音強,如果不加以控制,將會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生極大的干擾。因此,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)采用一定的措施,降低開關(guān)電源的電磁噪音。
對于電路選擇而言,最關(guān)鍵的就是要使 di/dt與dv/dt保持在一個相對較低的水平,這樣一方面減少了輻射,另一方面也減輕了開關(guān)管的壓力,而這些電路包含了零電壓開關(guān)(ZVS)、零電流開關(guān)(ZCS)和單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多個部分的組合。
阻尼是為了避免開關(guān)管因受到寄生參數(shù)作用,而產(chǎn)生振蕩尖峰電壓沖擊所設(shè)置的,當(dāng)阻尼連接到有問題的電路上,就會減少發(fā)射。對于EMC設(shè)計而言,目前比較有效的阻尼器就是RC阻尼器,但是它也有一個缺點,就是容易發(fā)熱。設(shè)計師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際,權(quán)衡各種阻尼器的利弊,謹(jǐn)慎使用阻尼器。
在數(shù)控機床電氣EMC系統(tǒng)中,散熱器與TO247功率器件、集電極的漏極之間,會存在50的電容,因此會產(chǎn)生極強的電磁噪音發(fā)射,如果設(shè)計師僅僅利用散熱片,只會把噪音傳輸?shù)降氐?,而不會從根本上減少整體的發(fā)射。設(shè)計師應(yīng)當(dāng)在機床的樣機上,多次進行試驗,選擇合理的散熱器和散熱器安裝方式,找到最佳的散熱方法,從而減少電磁噪音的干擾。
在實際中,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)從全局角度出發(fā),選擇合適的開關(guān)類型。例如,用于機床的一次電源整流器和二次電源整流器,會產(chǎn)生反向電流,進而引發(fā)大的電磁噪音,而比較好的解決方式,就是利用快速軟開關(guān)。
磁性元件是數(shù)控機床電氣EMC系統(tǒng)中不可或缺的一部分,設(shè)計師在實際設(shè)計中,應(yīng)當(dāng)注重這部分工作。而其中最重要的就是變壓器與電感之間的磁路應(yīng)當(dāng)是處于閉合狀態(tài)。例如,在一個磁環(huán)中,應(yīng)當(dāng)選擇環(huán)形的磁環(huán)或者是無縫閉合的磁環(huán),而如果非要在磁環(huán)上開縫時,就需要利用一個封閉的完全短路環(huán)來降低寄生泄漏磁場的作用。又比如,設(shè)計師還可以利用電容,設(shè)計返回路徑,減少噪聲電流,當(dāng)初級開關(guān)噪音通過一些設(shè)備,如隔離變壓器的線圈匝之間的電容,會進入到次級,在次級形成新的共模噪音,這種噪音比較難消除,還會產(chǎn)生發(fā)射現(xiàn)象,影響設(shè)備的使用壽命。而利用次級地上的小電容,把這個小電容連接到初級電源線上,為共模電流創(chuàng)造一條返回路徑,就可以很好地減少噪音。同時,這個小電容也可以有助于次級濾波器更好地工作。
時鐘擴頻技術(shù)可以有效地防止噪音發(fā)射集中在幾個窄帶頻點上,而把這一技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)電源中,可以使開關(guān)電源的擴頻范圍大幅增加,減少噪音的干擾。目前,很多生產(chǎn)商都采用了這一技術(shù)。
數(shù)控機床的電磁干擾是一個內(nèi)容多且復(fù)雜的問題,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際工作中的干擾源,選擇合適的抗干擾方式,實現(xiàn)合理抑制干擾,保證了機床的安全高效運轉(zhuǎn)。