淬火機床中頻電源諧波分析與處理

胡宏明，馬朋久

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

風(fēng)電齒圈的齒表面采用中頻感應(yīng)淬火工藝，感應(yīng)淬火機床由德國EMA公司制造。在進行淬火時，機床會出現(xiàn)中頻電流過電流故障，但故障復(fù)位后，重新加工，又可以正常使用。通過對感應(yīng)淬火機床淬火工作原理分析，并經(jīng)維修實踐，徹底解決了這個問題。

1 感應(yīng)淬火機床中頻電源工作原理

淬火機床的中頻電源工作原理是將三相交流市電經(jīng)過三相全波整流電路變?yōu)橹绷麟姡笤俳?jīng)過可控的逆變電路逆變成電壓可調(diào)的交流電（圖1），在整流電路與逆變電路之間有平波電抗器，電阻電容等濾波電路，中頻電源的工作頻率一般在（1～8）kHz。負(fù)載由感應(yīng)線圈，電容和被淬火齒圈組成，連接成并聯(lián)諧振電路（圖2），其中，T10為逆變后中頻電壓升壓變壓器，T2為降壓變壓器，R為感應(yīng)器線圈感。

感應(yīng)淬火機床加工的零件品種較多，不同模數(shù)的齒圈匹配不同的感應(yīng)器，不同的感應(yīng)器與齒圈構(gòu)成的諧振回路的震蕩頻率不同，從故障的發(fā)生頻率分析看，加工的工件和使用的感應(yīng)器不同，發(fā)生中頻電流過電流故障的頻率不同。故障率高的工件模數(shù)15.2 mm，故障率低的工件模數(shù)16.25 mm發(fā)生過電流故障時的電流波形如圖3所示。

圖1 整流電路

圖2 逆變電路部分電路

圖3 過電流故障波形

2 淬火過程中產(chǎn)生過電流故障分析與處理

（1）圖3中標(biāo)記位置為淬火過程中產(chǎn)生過電流報警時的尖峰電流，由于在感應(yīng)器上的電壓是經(jīng)過匹配變壓器降壓后加在感應(yīng)上的，實測電壓值在10 V左右，在加工齒圈時感應(yīng)器上通過的電流是很大的，為此對變壓器后端回路的連接部分做了重點檢查。

（2）在查找處理過電流報警的過程中，做了很多檢查測試工作。也發(fā)現(xiàn)了有一些有異常地方，如感應(yīng)器底座與匯流排的連接部分，感應(yīng)器與底座的連接部分端面有連接不好打火的地方。

（3）電抗器漏水導(dǎo)致絕緣強度降低而導(dǎo)致過電流。明顯有問題的地方處理過以后，過電流故障有所減少，但是并沒有徹底消除。除此之外為了能夠查出故障的根本原因，還做了水電纜檢測，電容器的檢測等，并沒有發(fā)現(xiàn)什么異常。

3 諧波分析與處理

（1）由于中頻感應(yīng)淬火機床淬火電源工作原理是將三相進線交流電壓經(jīng)過整流再經(jīng)過單相逆變，經(jīng)過升壓再降壓到感應(yīng)器，在電路諧振時會產(chǎn)生諧波干擾，有可能導(dǎo)致檢測控制回路誤動作而觸發(fā)過電流報警檢測模塊。為此使用諧波測量儀器對2臺機床在淬火時進行了諧波測量，其中一臺是過電流故障頻發(fā)的，一臺是極少發(fā)生過電流故障的設(shè)備，從記錄中可以看出5，7，11次諧波電流較大。另外一臺故障極少發(fā)生的機床數(shù)據(jù)記錄未能找到，從現(xiàn)場實測時看，發(fā)現(xiàn)5，7次諧波電流與前一臺數(shù)據(jù)偏差不大，但11次諧波電流值不到1%。

（2）解決電力電子裝置和其它諧波污染源的方法分析。①增加諧波補償裝置來補償諧波，減少其對電網(wǎng)的污染，這對于各種諧波都適用。②對電力電子裝置本身進行改造，減少諧波產(chǎn)生，使功率因數(shù)接近1。公司的中頻淬火電源由于出廠時結(jié)構(gòu)已定，各種元件的尺寸規(guī)格都已經(jīng)確定，改造電力電子裝置本身基本上行不通，而外加諧波補償裝置對整流后部產(chǎn)生的諧波想起到良好的抑制作用，也由于結(jié)構(gòu)不好改動而不好實施。在設(shè)備進線側(cè)加諧波補償裝置只能減少設(shè)備產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，對設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的諧波起不到抑制作用。

（3）針對諧波污染產(chǎn)生的干擾，想通過對主回路改造來解決這一問題的途徑基本上已經(jīng)被堵死了，而這個問題若不解決，又會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來不可估量的質(zhì)量風(fēng)險，在這種情況下，考慮能不能在檢測回路上找到突破口，找到一種信號處理裝置把干擾信號濾除掉而又不會對有用的信號產(chǎn)生影響，這樣就不會使檢測模塊誤動作而造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的風(fēng)險。為此找到一種能夠濾除干擾信號的裝置—— 信號隔離器。

4 隔離器在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

（1）在工業(yè)自動化生產(chǎn)的過程中，經(jīng)常需要采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換分析與處理，現(xiàn)場采集的信號主要有模擬量和數(shù)字量 2種，模擬量一般都是 DC（0～5）V 和（0～10）V，以及（0～20）mA 和（4～20）mA 等弱電信號，這些信號輸入到儀表或PLC用來監(jiān)視生產(chǎn)過程狀態(tài)和控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的動作。在信號傳輸?shù)倪^程中極易受到現(xiàn)場各種干擾源的干擾，如交流弧焊機工作時，變頻器，大功率電機的啟動等，都會對現(xiàn)場的弱電信號造成干擾，影響數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，數(shù)字信號受到干擾后可能會導(dǎo)致PLC邏輯控制錯誤，執(zhí)行機構(gòu)的誤動作，進而可能會造成設(shè)備損壞和人員傷害的重大事故。信號隔離器的廣泛應(yīng)用為解決現(xiàn)場信號干擾問題找到了解決問題的途徑。

（2）解決信號干擾的主要措施有隔離、濾波、屏蔽和接地等。公司的感應(yīng)淬火機床設(shè)備上產(chǎn)生故障的解決辦法主要用到是信號的隔離技術(shù)，信號隔離器采用隔離技術(shù)，斷開過程環(huán)路中的直接連接電路，但又不影響信號的正常傳輸，從而徹底解決了上述問題。

（3）信號隔離器型號：PA-1176。

5 方案實施

中頻電流通過800/5 A的電流互感器進入（0～5）A轉(zhuǎn)換（0～20）mA 的電流變送器，信號隔離器輸入（0～20）mA，輸出（0～20）mA電流，不改變電流大小，只起到濾除干擾信號作用。

驗證：加入信號隔離器前后電參數(shù)對比，加隔離器前輸出功率，電壓，電流，頻率等參數(shù)與加隔離器之后對比，基本沒有變化，試加工工件檢測正常。之前經(jīng)常出現(xiàn)過電流故障的模數(shù)16.25的齒圈在加了隔離器后一直未出現(xiàn)過電流引起的功率缺失報警。

6 結(jié)論

進口感應(yīng)淬火機床投入使用后，從開始出現(xiàn)過電流故障報警到找到解決故障的方法，花費了很長時間。機床廠的國外專家也來進行檢查分析，因該故障隨機性大，復(fù)位后故障消失，一直沒有解決此故障。通過對機床工作原理分析并大膽嘗試，終于找到問題根源并解決。在設(shè)備維護過程中要善于研究分析，總結(jié)，拓展解決問題的思路，總會找到解決問題的辦法。

［1］羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備［M］.北京：中國電力出版社.2006.

［2］牛盧璐.對電力系統(tǒng)諧波的來源分析及其治理措施［J］.黑龍江科技信息，2008（35）：34，381.