時(shí)間:2017-12-20 11:24:14來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)通常由兩部分組成-電動(dòng)機(jī)自身和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制器(也叫做放大器,伺服驅(qū)動(dòng)器或逆變器),控制器和電動(dòng)機(jī)之間通過(guò)電纜連接??刂破鹘邮諄?lái)自交流電流的功率。伺服電機(jī)具有保持高精度特定位置的反饋電路。這意味著即使沒(méi)有運(yùn)動(dòng),伺服電機(jī)仍然處于工作狀態(tài)。變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)具有不同的工作方式-它們的速度由驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率控制。這兩種驅(qū)動(dòng)器之間的共同點(diǎn)在于它們都由脈沖調(diào)制信號(hào)(PWM)驅(qū)動(dòng)。圖1為典型的變頻驅(qū)動(dòng)器設(shè)置框圖。交流電源為變頻控制器饋電,將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)(圖2)加入了位置控制反饋。一種典型的制造和機(jī)器工具少則有一個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器,多則有20個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器。
有許多問(wèn)題與變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)相關(guān)。我們只關(guān)注部分問(wèn)題。讀者可以簡(jiǎn)單的在搜索引擎上查找變頻驅(qū)動(dòng)器,軸承,過(guò)電壓和電磁干擾以了解問(wèn)題的整個(gè)范圍,并尋求解決方案。
脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特性
為了減少設(shè)備成本,驅(qū)動(dòng)脈沖逆變器采用快速開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)脈沖使其具有幾納秒的上升和下降時(shí)間(圖2),從而將這些信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到幾兆赫茲。簡(jiǎn)單地打開(kāi)和關(guān)閉流入電機(jī)的電流比產(chǎn)生一個(gè)逐步加大和逐步減小的輸出電壓更為簡(jiǎn)單,更便宜和更有效。這些短邊沿驅(qū)動(dòng)脈沖是各種問(wèn)題的主要來(lái)源。如果控制器和電機(jī)之間的連接為適當(dāng)?shù)纳漕l連接,例如,匹配輸入和輸出阻抗,選擇了適當(dāng)?shù)纳漕l等級(jí)電纜和類似設(shè)計(jì),許多問(wèn)題都不會(huì)存在。然而,設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的目的不是正確傳輸信號(hào),而是進(jìn)行機(jī)械工作,因此很少考慮其高頻信號(hào)特性。以下是由尖脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)或相關(guān)引起的一些問(wèn)題(順序與重要性無(wú)關(guān))
電動(dòng)機(jī)軸承損毀
過(guò)電壓和關(guān)聯(lián)絕緣損壞
電力線和地線中的高電平傳導(dǎo)電磁干擾
地平面中高電平電磁干擾電流引起的電氣過(guò)載(EOS)問(wèn)題
來(lái)自電纜的高水平輻射電磁干擾
機(jī)械噪聲
電動(dòng)機(jī)過(guò)熱
以下章節(jié)我們將逐一考慮上述內(nèi)容,并討論解決這些問(wèn)題的方法。
電動(dòng)機(jī)軸承損毀
讓我們將電動(dòng)機(jī)當(dāng)作一個(gè)電子電路。將邊沿陡的驅(qū)動(dòng)脈沖作用在定子(即電動(dòng)機(jī)底座的感應(yīng)器)上。定子對(duì)轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)電容耦合(定子和轉(zhuǎn)子大的金屬表面之間間距很近)。
雖然驅(qū)動(dòng)脈沖的自身頻率非常低-通常不高于20KHz,并且不是考慮的重點(diǎn)-驅(qū)動(dòng)脈沖的尖銳邊沿的高頻成分從容性耦合中得到的阻抗很小,現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的高頻電壓與驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿同步。這個(gè)電壓反過(guò)來(lái)會(huì)引起電流通過(guò)唯一路徑即從轉(zhuǎn)子到電動(dòng)機(jī)軸承流到地平面。圖4顯示地電流是如何與驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿完全同步的。
軸承鋼珠和軸承底圈之間的連接經(jīng)常是間斷的,絕緣潤(rùn)滑油的存在會(huì)加劇這個(gè)問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致軸承中的電流產(chǎn)生電弧放電,從而產(chǎn)生EDM現(xiàn)象-電火花放電?;旧希娀鸹ㄒ淮螘?huì)吞噬小片金屬。這種現(xiàn)象廣泛發(fā)生在其他難以加工的金屬部件上,這些金屬部件具有球形軸承,而金屬機(jī)械加工的機(jī)制基本相同。然而,目的和輸出卻大相徑庭。電火花在軸承中引起的EDM起源于小的弧坑,或者麻點(diǎn)引起的不連續(xù),這會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步放電和危害。在軸上低至200mV的電壓也會(huì)產(chǎn)生電火花,雖然電動(dòng)機(jī)上的感應(yīng)電壓很高-高達(dá)上萬(wàn)伏。一旦產(chǎn)生了麻點(diǎn),它就會(huì)成為進(jìn)一步放電的集中點(diǎn)。由于驅(qū)動(dòng)脈沖和產(chǎn)生的放電每秒在每次電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)發(fā)生上千次(見(jiàn)圖5),它持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)從而不會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生永久性損壞。最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是軸承凹槽,或稱之為跑道形放電器-見(jiàn)圖X(ABB)。這個(gè)問(wèn)題會(huì)傳播,最終由于軸承故障造成電動(dòng)機(jī)永久性損壞。這個(gè)問(wèn)題很常見(jiàn),并且自身沒(méi)有表現(xiàn)出任何會(huì)消除的跡象。
脈沖邊沿過(guò)電壓
如果電動(dòng)機(jī)控制器的輸出阻抗,電動(dòng)機(jī)的輸入阻抗和連接電纜的阻抗完全匹配,那么驅(qū)動(dòng)脈沖完全是方波脈沖。但是,電動(dòng)機(jī)不是射頻設(shè)備,沒(méi)人嘗試進(jìn)行阻抗匹配,而且如果人們嘗試進(jìn)行匹配它就不能工作了。失配會(huì)引起振鈴和過(guò)載。
圖6顯示了很輕的振鈴和過(guò)電壓情況,雖然很多情況下過(guò)電壓很容易就超過(guò)正常脈沖幅度的60%。紅線為控制器輸出端的直接驅(qū)動(dòng)信號(hào);藍(lán)線為電動(dòng)機(jī)上經(jīng)過(guò)3英尺(~1米)電纜的相同信號(hào)。很明顯這個(gè)過(guò)電壓和振鈴只會(huì)通過(guò)軸承增加地電流。根據(jù)美國(guó)能源部【7】“來(lái)自脈寬調(diào)制變頻器的最快上升脈沖可能會(huì)引起有害電流在軸承中流動(dòng),即使過(guò)電壓不大”。過(guò)電壓不僅會(huì)引起壓筋的損害,還會(huì)壓迫電纜和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部線圈的隔離層,除此以外,還會(huì)引起電壓控制驅(qū)動(dòng)電流損壞,電動(dòng)機(jī)過(guò)熱和噪音問(wèn)題,這還沒(méi)包括其他不嚴(yán)重的影響。這個(gè)問(wèn)題已得到廣泛關(guān)注。IEC/TS60034-25(與IEC/TS60034-17合并)聲明采用標(biāo)準(zhǔn)絕緣的電動(dòng)機(jī)終端的脈沖電壓不能超過(guò)1350V。如果電動(dòng)機(jī)終端的脈沖電壓上升時(shí)間低于0.8μs,對(duì)于具有50ns上升/下降時(shí)間的脈沖,其容許的脈沖電壓降到900V,如圖3所示。NEMAMG1-2014還強(qiáng)調(diào)電磁干擾會(huì)引起軸承損壞和其他問(wèn)題。
設(shè)備的電磁干擾
僅關(guān)注電動(dòng)機(jī)損壞或變頻器/伺服電機(jī)上高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)過(guò)電壓方面的問(wèn)題是不夠的。電動(dòng)機(jī)不是單獨(dú)工作的-它們安裝在設(shè)備上,而這些設(shè)備可能對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾敏感。來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的高頻干擾會(huì)引起:
與電磁兼容規(guī)范不兼容
干擾電子設(shè)備工作
引起測(cè)量誤差和引起傳感器輸出錯(cuò)誤
對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生電氣過(guò)載(EOS)
驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生會(huì)引起對(duì)電源電流消耗的巨大改變,這反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生高頻傳導(dǎo)發(fā)射,而這種發(fā)射反過(guò)來(lái)會(huì)返回電源中。在電源上使用電源線濾波器是兼容性設(shè)計(jì)的主要方法,這是大多數(shù)伺服/變頻制造商推薦的方案。這有助于取得電磁兼容性。然而,目前沒(méi)有電磁兼容管理部門控制設(shè)備內(nèi)電磁干擾,因?yàn)榇蠖鄶?shù)管理部門更關(guān)注特定設(shè)備可能怎樣影響到其他設(shè)備的運(yùn)行。不能管理設(shè)備內(nèi)電磁干擾,這使其會(huì)干擾到自身,尤其是當(dāng)用戶或集成商將傳動(dòng)設(shè)備與其它電子設(shè)備集成使用時(shí)。此時(shí),不同設(shè)備的相互操作就不像一家公司單獨(dú)生產(chǎn)那樣進(jìn)行了嚴(yán)格檢查。
大多數(shù)來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電磁干擾問(wèn)題是由驅(qū)動(dòng)脈沖引起,并以來(lái)自驅(qū)動(dòng)秒沖尖銳邊沿的輻射發(fā)射干擾,設(shè)備地及設(shè)備框架上噪聲的形式顯現(xiàn),設(shè)備走線上的感應(yīng)傳導(dǎo)發(fā)射很難濾除。如上所述,通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸承的地電流會(huì)破壞設(shè)備的整個(gè)地系統(tǒng),減小數(shù)據(jù)線中的信噪比,改變傳感器中的信號(hào),導(dǎo)致過(guò)程改變,有時(shí)甚至?xí)鹕{情況,如核磁共振中的錯(cuò)誤讀數(shù)。有的研究表明中性點(diǎn)和地之間低至1V的電壓可能引起設(shè)備故障。有些驅(qū)動(dòng)電纜和設(shè)備地之間的容性耦合會(huì)引起地噪聲。
來(lái)自伺服電機(jī)和變頻器中的電磁干擾還可能引起電氣過(guò)載。半導(dǎo)體和印刷電路板安裝設(shè)備地之間的大電壓差會(huì)將敏感設(shè)備暴露在電氣過(guò)載中,這經(jīng)常引起立即或潛V的損壞,這種損壞會(huì)造成設(shè)備能夠通過(guò)生產(chǎn)時(shí)的測(cè)試但在實(shí)際中很快就壞了。具體問(wèn)題就是地平面上的電磁干擾電壓具有很低的輸出阻抗,這會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)電流功率,即使很低的電壓差也會(huì)損壞設(shè)備。IPC-A-610是印刷電路板安裝的最基本標(biāo)準(zhǔn)-限制應(yīng)用到敏感設(shè)備上的電壓,特別是電動(dòng)機(jī)的電磁干擾瞬態(tài)電壓特性會(huì)低至300mV。對(duì)于電子產(chǎn)品,從產(chǎn)量和可靠性方面考慮,EOS越來(lái)越重要。
由變頻器/伺服電機(jī)引起的電磁干擾測(cè)試
你不能控制你無(wú)法測(cè)得的東西。這句話很有深意。完全為了電磁兼容目的的交流電源傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試已廣為人知,別處有深入的記載,在此不再重復(fù)。而且,這部分所指的測(cè)試不是常規(guī)的電磁兼容管理部門進(jìn)行的測(cè)試,而是針對(duì)設(shè)備可靠性和操作性的重要內(nèi)容。
軸承電流測(cè)試
不用說(shuō),直接測(cè)試通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承的電流至少不是現(xiàn)實(shí)的嘗試。然而,通過(guò)測(cè)試驅(qū)動(dòng)信號(hào)回流路徑中的電流是非常相關(guān)的測(cè)試,例如,測(cè)試控制器和電機(jī)地線中的電流,如圖7所示。
基本前提是通過(guò)軸承的電流必須要流回起點(diǎn)-電機(jī)控制器?;芈仿窂酵ㄟ^(guò)地線(有時(shí)設(shè)計(jì)成PE-電源地)。雖然有些僅僅是定子繞組和地電機(jī)殼之間的容性高頻電流路徑,它與流過(guò)軸承的電流相比微不足道,因此測(cè)試地線中的高頻電流足以估計(jì)流過(guò)軸承的電流。圖7顯示了基本設(shè)置,該設(shè)置可用于伺服電機(jī)和變頻器。這些電機(jī)通常具有三根驅(qū)動(dòng)線,但不排除設(shè)計(jì)了U,V和W,以及地線G,或者有時(shí)設(shè)計(jì)為電源地。地線上的寬帶電流探頭通過(guò)軸承返回電流。
圖8顯示了通過(guò)地線的典型電流,該電流通過(guò)Tektronix電流探頭CTI測(cè)得。這個(gè)探頭具有5mV/mA的敏感度。本文中的電流測(cè)試都按照此方法進(jìn)行。如圖所示,峰值電流為1.72A-值比較大。這個(gè)峰值電流用于10000次/s的軸承。注意到即使沒(méi)有運(yùn)動(dòng),伺服電機(jī)仍然處于工作狀態(tài)-僅僅保持它的位置。不足為奇,它可能造成軸承的損壞,以及其他一些不想要的效應(yīng)-干擾設(shè)備運(yùn)行和引起電氣過(guò)載。
在此我們進(jìn)入到讀者必須要注意的安全方面的內(nèi)容,因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)可能具有高電壓(高達(dá)480V)強(qiáng)電流功率。暴露在這樣的電壓中可能引起傷害或死亡。如果你不熟悉工作在高壓線環(huán)境中,你應(yīng)該推遲測(cè)試它的連接部分,或者至少經(jīng)過(guò)專家的適當(dāng)培訓(xùn)。
你需要一個(gè)電池供電的示波器,其帶寬至少為200MHz(更高的帶寬沒(méi)有任何好處),以及一個(gè)100:1的高電壓示波器探頭。注意不可以使用頻譜儀,交流供電的示波器會(huì)由于其連接到公共地而產(chǎn)生地回路。而且,注意到常規(guī)的10:1探頭對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的衰減不足以防止鉗制信號(hào)。如果你設(shè)置示波器的值,你需要將它的輸入設(shè)置為1兆歐而不是50歐姆,因?yàn)楦唠妷汉偷妥杩古浜喜缓?,這點(diǎn)至關(guān)重要。這還可能給信號(hào)引入小的振鈴,但這比損壞示波器要好。
在大多數(shù)電機(jī)控制器中,你可能找到標(biāo)記為U,V和W的終端-它們輸出到電機(jī)中。將探頭地和控制器地,探頭尖端及U,V和W終端(圖9)連接在一起,可能還需要適當(dāng)延長(zhǎng),這取決于終端結(jié)構(gòu)。示波器探頭的地應(yīng)該連接到控制器地的終端,控制器地終端緊鄰U,V和W終端。基于示波器設(shè)置數(shù)次測(cè)量時(shí)間有助于捕捉驅(qū)動(dòng)脈沖,脈沖上升沿和脈沖下降沿。
你可能會(huì)期待在高品質(zhì)電機(jī)控制器終端上會(huì)出現(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在電機(jī)上的測(cè)試更為難辦,由于終端及一些很難獲取的問(wèn)題,這看起來(lái)經(jīng)常幾乎是不可能辦到的,但如果有設(shè)備專家的幫助這也許可能辦到。確保示波器探頭的地夾連接到電機(jī)的接地端,而不是別的地方,否則測(cè)試結(jié)果會(huì)大大折扣。
消除變頻器/伺服電機(jī)的電磁干擾問(wèn)題
最后,以上描述的所有問(wèn)題都由驅(qū)動(dòng)脈沖的尖銳邊沿所引起。因此,解決此類問(wèn)題需要改變脈沖邊沿以便上升和下降時(shí)間都足夠慢,以免定子和轉(zhuǎn)子之間的容性耦合成為主要的導(dǎo)電路徑,同時(shí)還能保證電動(dòng)機(jī)的性能。優(yōu)化走線,改變通過(guò)軸承的電流路徑或者同時(shí)阻塞路徑,是一些解決方案。脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的問(wèn)題不是一個(gè)新問(wèn)題,而是廣泛的問(wèn)題-有很多解決方案,我們將在后述章節(jié)介紹。鑒于這個(gè)問(wèn)題的廣泛性和它的經(jīng)濟(jì)影響,對(duì)于電動(dòng)機(jī)用戶有很多可用的解決方案,各種方案具有不同的有效性。對(duì)于變頻器和伺服電機(jī)問(wèn)題的預(yù)防方法就很好-建議用戶在選擇電動(dòng)機(jī)問(wèn)題解決方案時(shí)注意實(shí)際技術(shù)分析與大量銷售廣告。
走線優(yōu)化
毋庸置疑,相比長(zhǎng)的電纜,短的電動(dòng)機(jī)電纜提供更小的振鈴和更少的發(fā)射。與其他電纜分離布置的電纜對(duì)其他導(dǎo)體產(chǎn)生更小的電壓和電流。正確連接的屏蔽(銅網(wǎng)編織)有助于減小來(lái)自脈沖邊沿的電磁場(chǎng)。
對(duì)于變頻器和伺服電機(jī)有許多特殊制造的電纜??刂破骱碗妱?dòng)機(jī)之間更好的電纜是那種具有足夠厚度適當(dāng)屏蔽的電纜(銅網(wǎng)編織屏蔽體)。有的電纜各相都具有獨(dú)立的地線,這進(jìn)一步減小了振鈴。不建議用戶使用不是專門用于變頻器的常規(guī)電纜的電纜,因?yàn)檫@可能加劇問(wèn)題。
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