水壓機(jī)電控干擾原因分析及解決方法

李同明　郝向利

摘要：簡要介紹了公司HFW焊管生產(chǎn)線現(xiàn)場水壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行時，電氣控制部分軟啟動器受到的電磁干擾影響，分析了造成干擾的原因、通常解決問題的方法，以及現(xiàn)場問題的解決過程。

關(guān)鍵詞：HFW焊管;水壓機(jī);軟啟動器;電磁干擾

中圖分類號：TG315.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.009

水壓機(jī)設(shè)備是焊管生產(chǎn)線上精整段的主要設(shè)備，主要作用是對焊管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)焊管焊縫的承壓能力是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。水壓機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行是焊管生產(chǎn)線每天產(chǎn)品檢驗(yàn)出庫的保障。在實(shí)際使用過程中，我公司水壓機(jī)的電控系統(tǒng)因電磁干擾不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

公司HFW鋼管生產(chǎn)線主要生產(chǎn)φ219 - φ610 mm的焊管，生產(chǎn)線由美國ABBEY公司設(shè)計(jì)，電氣全部采用美國ROC kWELL公司旗下AB公司的產(chǎn)品。由于生產(chǎn)的主要產(chǎn)品多集中在海洋石油項(xiàng)目上，壁厚大、質(zhì)量性能要求高，生產(chǎn)上一般采用感應(yīng)焊居多。精整段水壓機(jī)設(shè)備、電氣控制設(shè)備同樣采用美國AB公司產(chǎn)品，控制液壓站油泵的電氣器件有6臺全電壓軟啟動器，控制水泵的有5臺全電壓軟啟動器。在焊管線生產(chǎn)某些規(guī)格產(chǎn)品時，水壓機(jī)液壓站的油泵運(yùn)行會出現(xiàn)周期性的反復(fù)啟動現(xiàn)象，而位置較遠(yuǎn)的水泵運(yùn)行表現(xiàn)卻始終正常，液壓泵頻繁起動最終導(dǎo)致熱保護(hù)動作停機(jī)，嚴(yán)重影響水壓機(jī)正常運(yùn)行。

1 設(shè)備介紹

水壓機(jī)為美國BRONX公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，電氣控制采用ROC kWELL旗下AB公司產(chǎn)品。其液壓站由4臺110 kW主泵和2臺75 kW輔泵、1臺15 kW循環(huán)泵、外加1臺15 kW的先導(dǎo)泵組成。水泵由2臺180 kW凈水泵、3臺55 kW污水泵組成。其油泵、水泵控制如圖1所示。

AB全電壓軟啟動器的型號為Bulletin 150 SMC PLUS，控制和過載保護(hù)器件采用AB E3 PLUS。水壓機(jī)設(shè)備電氣控制方式采用工業(yè)控制網(wǎng)（ ControlNet）轉(zhuǎn)設(shè)備網(wǎng)（Device Net）模塊通訊。所謂的全電壓軟啟動器，就是軟啟動器在啟動完成后并不退出主回路控制，可控硅仍控制全導(dǎo)通使三相電流通過，無需旁通接觸器跨接軟啟動器主回路給負(fù)載供電。具體如圖2所示。

2 問題分析

焊管線生產(chǎn)過程中，精整段水壓機(jī)的液壓站油泵軟啟動器運(yùn)行過程中出現(xiàn)反復(fù)啟動現(xiàn)象，幾臺油泵的現(xiàn)象相同，焊管線一旦停止運(yùn)行，這一現(xiàn)象就會消失，而水壓機(jī)分布相對較遠(yuǎn)的采用相同控制方式的水泵卻沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。后來經(jīng)過多次觀察和分析，我們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象和焊管線運(yùn)行有關(guān)，一旦焊管線高、中頻機(jī)停止運(yùn)行而其他焊管線設(shè)備繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時這種現(xiàn)象也不會出現(xiàn)。通過短接網(wǎng)絡(luò)控制元件、直接控制軟啟動器運(yùn)行的電氣方法，發(fā)現(xiàn)仍會出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，因此我們排除了網(wǎng)絡(luò)控制的受干擾是造成該現(xiàn)象的原因，也就是說，這種現(xiàn)象是高頻機(jī)運(yùn)行對全電壓軟啟動器本身造成干擾引起的，資料顯示頻率100 kHz以上的高頻焊機(jī)感應(yīng)圈周圍輻射主要以電磁波的形式存在，電場和磁場一般在1m以外強(qiáng)度減弱到國家要求范圍內(nèi);100 kHz以下頻率焊機(jī)周圍以電場和磁場形式存在，而且衰減的速度隨距離增加變快，1 kHz、500 kW的中頻機(jī)使用時功率一般最大在90%以內(nèi)且效率較高，電場與磁場的影響距離非常短。通過外委測量公司的企業(yè)工作場合物理因素，報(bào)告中電磁場測量也符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

高頻焊機(jī)為美國THERMATOOL公司產(chǎn)品，1 200 kW，150 kHz。由于高頻機(jī)和水壓機(jī)均采用獨(dú)立的變壓器（10 kV/0.4 kV），電源線路相距有一定的距離，同時，水壓機(jī)水泵控制的電源也采用了380 V/220V AC的隔離變壓器，而且同型號、同樣工作狀態(tài)的水壓機(jī)水泵軟啟動器卻未受到干擾影響，所以，我們排除了通過電源線路污染造成軟啟動器受干擾的可能性，同時排除了高頻傳導(dǎo)干擾的方式。通過互換油泵和水泵軟啟動器的控制器，仍然是油泵軟啟動器工作受影響，水泵軟啟動器工作正常，這樣就排除了油泵軟啟動器本身故障導(dǎo)致出現(xiàn)這樣問題的可能。一般高頻干擾方式包括傳導(dǎo)干擾和電磁輻射干擾兩種，排除了傳導(dǎo)方式干擾，因此，我們認(rèn)為高頻電磁輻射造成的干擾是導(dǎo)致水壓機(jī)軟啟動器的異常運(yùn)行的主要原因。

觀察發(fā)現(xiàn)并不是生產(chǎn)所有規(guī)格時都出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，容易出現(xiàn)干擾現(xiàn)象的主要集中在φ273 - φ406 mm之間的幾種規(guī)格，高頻功率輸出在500 - 800 kW之間。由于HFW焊管生產(chǎn)過程中鋼管規(guī)格的變化，高頻設(shè)備主要是功率、感應(yīng)圈變化較大，頻率浮動不大。鋼管規(guī)格、壁厚、生產(chǎn)線速度變化，高頻機(jī)的功率就會相應(yīng)變化，感應(yīng)圈的大小、長短也不同。色瑪圖焊機(jī)功率自動匹配的過程中，一般在振蕩頻率上運(yùn)行，由于受鋼管規(guī)格不同、感應(yīng)圈大小不同、匹配電抗器行程等因素影響，從焊機(jī)的顯示屏上看，實(shí)際運(yùn)行頻率無法穩(wěn)定在150 kHz，有時會出現(xiàn)上下浮動，一般在149 - 151 kHz。在焊機(jī)焊接過程中，感應(yīng)圈套接在鋼管上，其中流過大功率的高頻電流，在電磁感應(yīng)加熱的過程中部分能量就會以電磁波形式輻射到周圍空間，距離近，信號強(qiáng);距離遠(yuǎn)，信號逐漸減弱。由于規(guī)格的變化導(dǎo)致使用不同的感應(yīng)圈和功率高低不同，恰好φ273 - φ406 mm常見的規(guī)格感應(yīng)圈與鋼管組合后，焊機(jī)功率自動匹配后在AB軟啟動器某些器件的振蕩頻率接近，設(shè)備的距離又相對較近，就容易受到這種頻率的電磁輻射干擾，特別是軟啟動移相電路部分，使控制品閘管全導(dǎo)通后又再次移相起動，設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。隨著距離增加和其他物體的吸收，電磁輻射會逐漸減弱，受到該輻射的影響就會減少。這樣就符合較近的液壓站軟啟動器容易受干擾，較遠(yuǎn)的水泵軟啟動器未受到干擾的要求。

我們知道，高頻焊機(jī)就是利用高頻電流具有的特性，即臨近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，在成型焊接機(jī)架V形角區(qū)域通過感應(yīng)圈對管體板材表面集中加熱融化，經(jīng)焊接擠壓輥擠壓后粘接在一起的焊接方法。在HFW焊管生產(chǎn)過程中，焊機(jī)由于是高頻率大功率的焊接使用，不可避免地產(chǎn)生一定的電磁輻射和整流導(dǎo)致的電源污染。電磁干擾（ electro-magneticinterference.EMI）是指系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的、并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。盡管目前各大電氣產(chǎn)品都有相關(guān)電磁兼容的設(shè)計(jì)，現(xiàn)實(shí)中電磁輻射干擾仍時常發(fā)生，對其他設(shè)備的正常運(yùn)行造成一定的影響。

3 解決方法

電磁輻射干擾的防止一般采用屏蔽的方式。理論上采用如圖3的形式。

高頻磁場采用低電阻率的金屬良導(dǎo)體材料來屏蔽，如銅、鋁，當(dāng)高頻磁場穿過金屬板時由于電磁感應(yīng)原理在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于金屬板的電導(dǎo)率很高所以產(chǎn)生很大的渦流，如圖3（a）所示。渦流又產(chǎn)生反磁場，與穿過金屬板的原磁場相互抵消，同時又增強(qiáng)了金屬板周圍的原磁場，總的效果是使磁力線在金屬板四周繞行而過。如果做一個金屬盒把線圈包圍起來，則線圈電流產(chǎn)生的高頻磁場在金屬盒內(nèi)壁產(chǎn)生渦流，從而把原磁場限制在盒內(nèi)，不至于向外泄漏，起到主動屏蔽作用。金屬盒外的高頻磁場同樣由于渦流作用只能繞過金屬盒，而不能進(jìn)入盒內(nèi)，起到了被動屏蔽的作用，如圖3 （b）所示。由于高頻電流具有集膚效應(yīng)，渦流只在金屬表面的薄層中流過，金屬屏蔽體不需太厚，薄薄一層（ 0.2 - 0.8 mm）金屬良導(dǎo)體就能起到良好的高頻磁場屏蔽作用。

電場屏蔽與磁場屏蔽相似，磁場屏蔽和接地與否關(guān)系不大，但電場屏蔽一般必須接地，所以常見的均是接地方式屏蔽。焊管生產(chǎn)線電氣柜本身是鐵制品，我們檢查測試電氣柜體互相連接及接地均顯示良好，軟啟動器設(shè)備本身進(jìn)行單獨(dú)接地試驗(yàn)后也無明顯效果;采用鋁箔包裹屏蔽軟啟動器控制部分，單獨(dú)接地，但可能由于軟啟動器的原進(jìn)出線采用銅排，軟啟動器本身散熱排風(fēng)、連接電纜等影響，屏蔽后試驗(yàn)效果并不非常理想，偶爾仍會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。考慮現(xiàn)場無論采用薄的銅或鋁板制作主動屏蔽高頻焊機(jī)或被動屏蔽軟啟動器本身或柜體的殼體，同時又不影響其他設(shè)備的正常使用，實(shí)際操作起來都存在較大問題。

實(shí)際處理中，我們在嘗試其他解決方案無法獲得較好的效果后，最后采用了改動原有電氣線路，使該全電壓軟啟動器僅僅在油泵啟動過程中發(fā)揮啟動作用，即與普通軟啟動器作用相同，啟動完成后就利用接觸器旁路切除軟啟動器的運(yùn)行，使油泵工作在正常國網(wǎng)電壓下，解決了原液壓站運(yùn)行過程中受輻射干擾、頻繁起動的問題。

4 結(jié)束語

在實(shí)際現(xiàn)場，往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護(hù)，因?yàn)樵O(shè)備或系統(tǒng)上的電纜等也會干擾接收和發(fā)射天線。許多設(shè)備單臺做電磁兼容實(shí)驗(yàn)時都沒有問題，但當(dāng)兩臺設(shè)備連接起來以后，就無法滿足電磁兼容的要求。高頻焊機(jī)工作時的電磁輻射，對其他設(shè)備產(chǎn)生影響的事例并不多見，但某些設(shè)備運(yùn)行中仍會受到干擾，影響設(shè)備的正常使用。實(shí)際焊管生產(chǎn)線現(xiàn)場的布局比較固定，設(shè)備受到干擾后采取屏蔽等防制措施實(shí)施起來比較困難，因此，電氣設(shè)備制造商以及機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)在相關(guān)設(shè)備制造、現(xiàn)場布局和安裝時加強(qiáng)電磁兼容這方面的考慮，避免實(shí)際工作中產(chǎn)生相互影響。

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