國內(nèi)制造車間主要供電缺陷

　　說到制造車間供電質(zhì)量，傳統(tǒng)上認(rèn)為國內(nèi)三相AC400V供電存在著“電壓波動大”和“諧波嚴(yán)重”的問題，因此，這也是很多用戶給NC設(shè)備前端安裝穩(wěn)壓器的主要原因。但是，從目前實際來看，上述供電質(zhì)量問題并不是目前CNC制造車間供電質(zhì)量的主要問題，因此也不是影響CNC設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因。

　　從大量CNC制造車間的現(xiàn)場實際供電監(jiān)測情況來看（接入專業(yè)電網(wǎng)檢測分析儀器在線24h不間斷地監(jiān)測一段時間），只要車間內(nèi)沒有大的電感設(shè)備（如高頻感應(yīng)式熱處理設(shè)備）、“電壓波動”、“系統(tǒng)諧波”及“頻率誤差”等問題，一般還都是正常的或者說并不嚴(yán)重，并不是主要問題，而反映出來目前制造車間的三相AC400V供電系統(tǒng)的主要供電質(zhì)量缺陷是“電壓跌落”和“電壓瞬變”。

　　“電壓跌落”也稱為“電壓驟降”、“電壓下跌”或者“電壓凹陷”。其是指供電電壓均方根值在短時間內(nèi)突然下降到額定電壓幅值的90%，甚至降到10%，典型持續(xù)時間為0.5～30個周波的一種現(xiàn)象。而“電壓瞬變”則是在短時間內(nèi)供電電壓幅值發(fā)生瞬時變化，不一定是電壓下降，還可能是電壓超高，或單相變化或三相都變化且不均衡。發(fā)生“電壓瞬變”時，不但變化的幅值大，且發(fā)生的頻次也很高，有時一天能有數(shù)百次之多。

　　“電壓跌落”和“電壓瞬變”與一般意義上的“電壓波動”有很大的區(qū)別。一般所說的“電壓波動”是指電壓比較緩慢的變化（如數(shù)秒到數(shù)分鐘不等）且三相變化比較均衡，這種較為緩慢的電壓變化可以用普通電壓表進(jìn)行測量，由于現(xiàn)代CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動都設(shè)計有較寬的電壓輸入范圍，所以這種緩慢但又是在范圍內(nèi)的變化實際上對CNC設(shè)備并無實質(zhì)性的影響。

　　而“電壓跌落”和“電壓瞬變”這兩種供電缺陷實際上對CNC設(shè)備的影響卻很大。它們都具有“幅值變化大，時間短促（數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒），三相變化不均衡，可能伴隨相位跳變”等特點，并且上述兩種供電缺陷很難被察覺：由于時間非常短，人的感觀無法覺察，而使用如萬用表之類的一般測量儀器根本無法捕捉到，只有專用儀器才可以識別（見圖1～圖3）。

圖1 三相電壓跌落的幅度

　　圖2 三相電壓瞬變的幅度

　　圖3 一天內(nèi)電壓瞬變的次數(shù)

　　而目前國內(nèi)針對這兩種供電缺陷的研究還非常缺乏，對于其產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識還停留在“雷擊”和“輸電線路短路故障”等，但實際在CNC制造車間頻繁出現(xiàn)這些供電缺陷的同時并沒有什么“雷擊”或者“短路故障”發(fā)生。既然沒有機(jī)理上的清晰認(rèn)識，則更談不上應(yīng)用于制造車間層級的解決方案。而國內(nèi)制造用戶對此供電缺陷或者根本不知，或者不予理睬，或者給CNC設(shè)備前端大量安裝穩(wěn)壓器，總體成本不菲。

　　值得注意的是，在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家中，“電壓跌落”和“電壓瞬變”引起70%～90%的電能質(zhì)量問題。據(jù)報道：在歐洲，由此引起的用戶投訴占整個供電質(zhì)量問題的80%以上，而由“諧波”引起的投訴不到20%。而就國內(nèi)很多CNC制造車間供電的監(jiān)測結(jié)果來看，正好也反映了這種趨勢。這說明，隨著國內(nèi)工業(yè)化的進(jìn)程，與發(fā)達(dá)國家一樣，目前供電缺陷的實質(zhì)性因素在國內(nèi)很多場所已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。

電壓跌落和瞬變對CNC設(shè)備的影響

　　從實際監(jiān)測結(jié)果來看，電壓跌落的幅值有時候是非常大的，例如：在某次監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)相電壓AC230V有時能跌落到只有20V左右，而電壓瞬變則可能瞬間電壓升得很高，例如標(biāo)準(zhǔn)相電壓AC230V有時能沖高到680V左右。值得慶幸的是，上述這樣大幅度的變化往往時間很短，只有幾個毫秒到十幾個毫秒。但是一旦此類情況持續(xù)時間較長（如幾十到數(shù)百毫秒），就會產(chǎn)生較大的影響。

　　例如：數(shù)控系統(tǒng)的PCU或者NCU其實就是一臺工業(yè)計算機(jī)，通過一個交直電源和電網(wǎng)連接，其原理和普通PC類似，當(dāng)輸入電壓下降到額定的70%以下并持續(xù)超過20ms，部分PC就很可能就無法工作，或者發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者出錯，造成CNC系統(tǒng)的報警、數(shù)據(jù)丟失及RAM紊亂等情況。

　　CNC機(jī)床普遍采用的交流伺服系統(tǒng)也會受到電壓跌落的影響。比較輕微的表現(xiàn)就是“跳閘”或者“電機(jī)速度波動”，會影響CNC加工零件表面質(zhì)量。而如果由于電壓非均勻跌落導(dǎo)致三相相位的跳變，則比較嚴(yán)重，甚至能引起伺服驅(qū)動電源部分的損壞。

　　而電壓瞬變則會瞬間產(chǎn)生超高的電壓，雖然時間很短，但是頻繁的超高壓可能會造成元器件的損傷，造成元器件的提前損壞。更嚴(yán)重地也可能會產(chǎn)生三相相位的錯亂，造成電源整流器件IGBT的損壞。大量實際案例說明此類問題有相當(dāng)比例。

車間配電系統(tǒng)的短路容量

　　在配電設(shè)計里，“系統(tǒng)故障級”（system faultlevel）是一個非常重要的配電設(shè)計指標(biāo)，但在實際中發(fā)現(xiàn)，這個指標(biāo)往往被忽視。

　　“系統(tǒng)故障級”在國內(nèi)一般被稱為“短路功率”或者“短路容量（short-circuitpower）”，為避免引起歧義，以下以“短路容量”名詞為準(zhǔn)。

　　表面上看，短路容量是配電系統(tǒng)開關(guān)保護(hù)器件（如熔斷器等）選擇的依據(jù)，并決定著其他連接設(shè)備的經(jīng)濟(jì)限度。但更深的含義是：短路容量直接影響著供電的質(zhì)量，影響著供電缺陷的程度和頻次，對于CNC機(jī)床的可靠運(yùn)行來說非常重要。而現(xiàn)在普遍對于這一點是認(rèn)識不足的。

　　從供電專業(yè)角度講，當(dāng)一個電網(wǎng)足夠大時，電壓跌落、瞬變及諧波等供電缺陷就會自然消失。反之，如果電網(wǎng)容量太小，任何稍微大一__些負(fù)載的接入或斷開就會比較明顯地影響到系統(tǒng)整體的電壓。這實際上就是電網(wǎng)越大越平穩(wěn)的原因。同樣地，對于某個低壓配電系統(tǒng)來說，系統(tǒng)較低的短路容量導(dǎo)致的配電系統(tǒng)中電壓跌落和電壓瞬變這些供電缺陷比較多，也會伴隨著電壓波動、諧波等其他問題?！岸搪啡萘刻　睂嶋H上是目前CNC制造車間供電質(zhì)量缺陷的主要原因。

　　從安全的角度講，短路容量比較高，當(dāng)發(fā)生接地短路故障時，由于短路電流較大，熔斷器（或斷路器）能盡快地熔斷（斷開），起到保護(hù)作用。而短路容量比較低則增加了斷路器的反應(yīng)時間，可能導(dǎo)致長時間過電流，增加了火災(zāi)的風(fēng)險。短路容量較大帶來的問題就是短路電流較大，對熔斷器等保護(hù)器件設(shè)計要求提高，會增加相應(yīng)的成本。

　　由此看出，短路容量這個指標(biāo)非常重要，需要從降低供電質(zhì)量缺陷和降低短路電流沖擊的兩個不同的角度找到一個合理的平衡。

　　一個車間配電系統(tǒng)的短路容量與母排電阻和電抗有關(guān)，但主要取決于變壓器的特性。一般來講，工廠內(nèi)的架空線為AC10kV或者6kV，然后車間用降壓變壓器將其降低為AC400V供廠房內(nèi)設(shè)備使用。如果一個廠房的配電全部來自于一個變壓器，則有大致的公式可以估算車間配電系統(tǒng)的短路容量S k=變壓器額定功率Pn÷變壓器的短路阻抗Uk

　　由此可知，短路容量和變壓器的額定功率成正比，和變壓器的短路阻抗成反比。同樣的短路阻抗情況下，額定功率越大，短路容量越大；同樣額定功率情況下，短路阻抗越小，短路容量越大。

　　只要有足夠的短路容量，在這個變壓器所供電的配電系統(tǒng)中供電質(zhì)量就基本上有保證，反之則會出現(xiàn)較多的問題。而如果一個車間有若干個變壓器供電，則需要每個變壓器的短路容量都合適，否則那個不合適的變壓器所供電的配電系統(tǒng)中的供電就有問題。

　　所以，從開始配電設(shè)計就選擇合適的供電變壓器是最好、最根本的解決方案。給每臺CNC設(shè)備單獨安裝穩(wěn)壓器當(dāng)然也是一個解決方案，但是由于設(shè)備數(shù)量多，并且穩(wěn)壓器成本要比同功率的變壓器成本高得多，無疑總成本要高很多，并且這種辦法依舊不能解決總母線上的供電缺陷問題。所以說，選擇安裝合適的總供電變壓器而不再給每臺CNC設(shè)備安裝穩(wěn)壓器實際上成本更低，效果更全面。

　　需要指出的是：如果車間廠房剛開始時設(shè)備不多，但是隨后不斷增加新的設(shè)備，而超出了原來的配電設(shè)計能力，也需要繼續(xù)增加變壓器數(shù)量或者更換更大功率的變壓器，以繼續(xù)維持足夠的短路容量。

CNC制造車間變壓器的選擇

　　一般地從傳統(tǒng)意義上講，配電變壓器選擇的依舊主要是考慮變壓器的負(fù)荷率。但是CNC制造車間的變壓器選擇出發(fā)點首先是“盡量保證供電質(zhì)量”。

　　從保證供電質(zhì)量出發(fā)，在不考慮其他負(fù)載的情況下，僅考慮CNC機(jī)床的交流伺服系統(tǒng)，則配電系統(tǒng)的短路容量應(yīng)該是各CNC機(jī)床伺服電源模塊額定功率總和的70倍以上，考慮“同時系數(shù)”，可以略有縮小，系數(shù)為0.73。

　　例如：車間有20臺CNC機(jī)床，全部是55kW的再生饋電式電源模塊，則總電源模塊功率是20×55=1 100（kW），則車間配電系統(tǒng)的最小短路功率：Sk=1 100×70×0.73=56 210（kVA）。如果選擇的變壓器的短路阻抗為4%，則變壓器的額定功率Pn=56 210×0.04=2 248（kVA）。如果考慮機(jī)床實際上還有少量其他一般性如液壓泵、排屑器等負(fù)載（例如總計為300kW左右），總數(shù)增加到2500kVA左右。而車間變電所單臺變壓器一般不超過1 250kVA，則此車間應(yīng)該至少使用2臺阻抗為4%的額定功率為1 250kVA的變壓器平均分配供電。

　　可見，對傳統(tǒng)車間僅考慮負(fù)荷率的方法是不適合CNC制造車間的。

　　對于CNC制造車間要把“考慮供電質(zhì)量”作為首先要考慮的，對此應(yīng)該有一個認(rèn)識上的突破。

變壓器的短路阻抗

　　從上述描述中可以知道，變壓器的短路阻抗Uk（也稱為“阻抗電壓”或“短路電壓”）實際上是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，但很多配電設(shè)計人員經(jīng)常忽視這個指標(biāo)的重要性。

　　短路阻抗Uk是一個非常重要的指標(biāo)。Uk越大，電壓壓降和電壓變化率越大，反映出來“電壓跌落”和“電壓瞬變”這些缺陷越多，供電質(zhì)量越差，那么對CNC設(shè)備的影響就越明顯，但是如果發(fā)生負(fù)載短路情況，變壓器所承受的短路電流沖擊也越小。反之，Uk越小，變壓器輸出電壓壓降和電壓變化率越小，反映出來“電壓跌落”和“電壓瞬變”這些缺陷越少，供電質(zhì)量越好，那么對CNC設(shè)備的影響就越小，但是如果發(fā)生負(fù)載短路情況，變壓器所承受的短路電流沖擊也越大。當(dāng)然這只是理論可能性，實際上是，車間設(shè)備故障所引發(fā)的短路情況一般都影響不到變壓器那里，前端若干級的斷路器早就起到了保護(hù)作用。

　　之所以說短路阻抗Uk非常重要，是因為其看似少量幾個百分點的差別，但是造成系統(tǒng)短路功率差異數(shù)倍。例如：一個額定功率400kVA的變壓器，Uk=4%時，Sk=10 000kVA；而如果當(dāng)其Uk=8%時，Sk=5 000kVA，車間配電系統(tǒng)的短路功率相差一倍，帶來的供電質(zhì)量就有較大的差別。

　　所以，看上去額定功率相同的變壓器的實際使用效果不一定是相同的。

　　既然短路阻抗Uk小一些比較好，為什么會在實際中有大量阻抗比較大的變壓器在使用呢？變壓器的阻抗本質(zhì)上是漏磁通所生成，鐵心尺寸越大，漏磁通越小，阻抗就越小，但是鐵心尺寸越大變壓器尺寸越大，成本就越高，占地面積也越大。因此，阻抗指標(biāo)可能會被人為地放大以到達(dá)降低成本的目的。

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094，車間供電最常用的1 250kVA規(guī)格以下的變壓器的Uk范圍是4%和5%。但是由于阻抗指標(biāo)不被重視，現(xiàn)場經(jīng)?？梢钥吹綐?biāo)稱阻抗已經(jīng)大幅度超出此范圍的變壓器在使用，更有甚者，某些變壓器銘牌上根本就沒有此指標(biāo)。

真正的三相五線制

　　如果配電系統(tǒng)的短路功率已經(jīng)足夠大，不再是問題，那么接下來就主要是接地的問題了。

　　只要車間供電采用了三相五線制（TN-S）就肯定比用三相四線制（TN-C）好嗎？從理論上來說當(dāng)然如此，但是實際中卻不是這樣。大量的實踐證明，采用TN-S和TN-C與CNC設(shè)備的各種電器故障并沒有直接的關(guān)聯(lián)。那又是怎么回事？

　　問題的根源在于“有些所謂的三相五線制根本就不是真正的三相五線制”。

　　在三相五線制“TN-S”的定義中：“T”表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，“N”表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源接地點有直接的電氣連接，而“S”表示中性線N和地線PE是分開的。車間的“電源接地點”就是車間變壓器的中性點，而變壓器中性點在變壓器房間內(nèi)肯定是有良好接地的。簡單地一句話：只有和中性點可靠連接的PE才是真正的PE。對于三相五線制而言，CNC設(shè)備電柜一般只接入L1/L2/L3和PE而不接入N，如果PE和變壓器中性點有直接可靠的連接，則L1/L2/L3的線電壓是相對平衡和穩(wěn)定的；而如果PE和變壓器中性點并沒有直接可靠的連接而只是通過大地導(dǎo)通，由于這種導(dǎo)通阻抗的不確定性，則L1/L2/L3的線電壓就有可能出現(xiàn)超高的情況。一旦瞬時超過元器件耐壓，絕緣氣隙的設(shè)計要求，就會造成驅(qū)動電器元器件的損壞。

　　換句話說，如果三相四線制的PEN做得比較好，不但和中性點有可靠的連接，接地電阻也很小，則三相四線制也可以保證CNC設(shè)備良好地運(yùn)行。GB14050《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》規(guī)定了正確的TN-S接線方法，如圖4所示?？梢?，PE和N雖然在布線過程中是分開的，但是最終在變壓器中性點處是連接在一起的（也就是說“有直接的電氣連接”），并且在此做了可靠的接地。而IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的圖片則更為清晰地顯示了這一點（見圖5）：它不但指出了PE和N最終在變壓器中性點連接在一起，而且PE在布線過程中還要多次做重復(fù)接地，以降低接地電阻并更為安全。

圖4 GB14050中規(guī)定的TN-S接線圖

圖5 真假TN-S

　　實際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，用戶在CNC車間供電設(shè)計時，將PE接地和變壓器中性點接地分隔開，PE雖然也接地（例如在地溝中，或者在設(shè)備附近的地基泥土里），但是此接地和變壓器中性點并不直接由金屬導(dǎo)體連通（只是通過大地連通）。這種情況下，就會缺乏中性點的抑制平衡作用，L1/L2/L3線電壓超高的概率大大增加，CNC設(shè)備故障也就隨之上升。

　　對此的對策就是：從車間配電設(shè)計階段就弄清楚概念，做真正的三相五線制。并且，PE在布線過程中要多次做重復(fù)接地，既可以降低接地電阻，對操作人員來說也更為安全。

結(jié)語

　　對CNC制造車間配電設(shè)計的出發(fā)點應(yīng)該是“減少供電缺陷”。

　　而配電系統(tǒng)的“短路容量大小”和“接地質(zhì)量是否良好”是保證供電質(zhì)量的最根本因素，只要抓住了最根本的因素，CNC車間的供電質(zhì)量就有保證，就可以大幅度減少由于供電缺陷引起的CNC設(shè)備故障。

作者單位：西門子工廠自動化工程有限公司西安辦事處

　　本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第9期第73-77頁，版權(quán)歸金屬加工雜志社所有，如轉(zhuǎn)載注明來源。

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