軸承試驗機電氣系統抗干擾技術的分析與應用

李宜謙，王健，楊俊生

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承試驗機可模擬實際使用工況測試軸承性能和壽命，試驗結果可反映軸承設計、制造、材料及潤滑等質量水平，是綜合評價軸承質量的重要手段。但在軸承試驗過程中，電氣系統中的各種信號干擾會造成測控參數失真失控，從而影響試驗結果，不能正確反映軸承性能指標。為確保測試數據準確，干擾問題必須得到較好解決。

1 試驗機電氣系統

為保證試驗運行穩定、數據可靠和測試準確，試驗機電氣系統采用了以電液比例、電液伺服控制技術實現載荷的閉環控制；以變頻調速控制技術實現試驗機的無級調速；以工業計算機測控技術實現試驗機測控和智能化管理；以抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性等方法以有效提高系統的抗干擾能力。

計算機測控系統可預設試驗載荷、轉速、運轉時間和加熱溫度等主要參數，按照設定的程序運行并自動監測試驗載荷、溫度、振動、電動機轉速和電流等參數。當試驗軸承失效或試驗機出現異常時，自動報警停機。

變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子和通信等技術于一體的高科技技術。隨著科學技術的高速發展，變頻器以節能、可靠、高效的特性應用于工業控制的各個領域。但變頻器能產生功率較大的諧波，對系統其他設備干擾性較強，變頻器同樣會給試驗機各測控溫度、壓力、振動、載荷和轉速等參數帶來干擾，嚴重時甚至可能造成整個系統工作癱瘓，是系統工作不穩定的主要因素。

2 抗干擾分析

在試驗機電氣系統中，抗干擾是得到高質量信號的重要措施。但是，試驗機電氣系統中模擬系統和數字系統集成交叉工作并與若干外設相連，同時傳感器與相關導體(大地等)直接接觸，多個通道之間通過模擬轉換開關等進行切換。與此相應的外設地電流、開關階躍[1]信號、數字脈沖信號、較強的變頻器電磁輻射信號、各種用電設施造成的地環流信號以及各種串擾信號等構成了該系統的主要干擾信號。

3 抗干擾措施

3.1 接地

接地是抑制干擾、提高系統電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既可使系統有效抑制外來干擾，又能有效降低系統本身對外的電磁干擾。在實際應用中，由于系統中電源的零線(中線)、地線(保護接地線和系統接地線)不分，系統的屏蔽地(控制信號的屏蔽地和主電路導線的屏蔽地)連接混亂，大大降低了系統的穩定性和可靠性。

3.1.1 主回路的接地

在試驗機電氣系統中，主回路的正確接地是提高變頻器抑制外界電磁干擾和減少變頻器自身電磁干擾的重要手段。為了提高系統的抗干擾能力，一般不采用浮地，而要直接接地(接PE)。特別是變頻器和機組共用一根接地線時，接地線必須通過接地匯流排可靠接地。作為一個系統，系統內的控制器(如工控機)應當與變頻器單點接地。變頻器與其他動力設備的接地點要分開(不能共用一根接地線)。由于變頻器產生的漏電流對太遠的接地點常會造成接地端子的電位不穩定，因而變頻器的接地導線要粗，同時在可能的范圍內要盡量短。接地線應按照電氣設備技術基準所規定的導線線徑規格。

3.1.2 傳感器信號的屏蔽接地

在試驗機系統中，各類信號的采集依靠各類傳感器。溫度、壓力、轉速等參數可準確反映軸承在試驗機中的實時運轉情況。這些傳感器的共同特點是：為了提高抗干擾能力，信號線均采用屏蔽線，且屏蔽線在傳感器內部與傳感器殼體相接。如果變頻器或其他控制設備接地不良時，就會出現通過屏蔽層接地的情況，形成地電流，對系統工作的可靠性產生很大影響，嚴重時系統將無法工作。因此在試驗機系統中，當距離較遠時，一定要保證外部設備和變頻器的獨立接地，或者選用傳感器外殼不與屏蔽層相連的傳感器，在變頻器一側實施一點接地；當距離較近時，可采用公共母線排接地，保證傳感器與控制設備接地點之間的電位差近似為零，從而消除地環流形成的干擾。

3.1.3 模擬信號屏蔽層接地

對于采用標準的4～20 mA，0～10 V及0～5 V的模擬信號控制變頻器的頻率/轉速系統，信號的傳送優先采用雙絞線和雙絞線的屏蔽線。由于模擬信號的頻帶較窄，原則上在接地的控制器或變頻器一側實施單點接地。對于抗干擾要求非常高的場合，可采用雙重屏蔽的電纜，此時，外層屏蔽接屏蔽地線，內層屏蔽接系統地線。對于共模[2]干擾嚴重的場合，可通過添加共模電感消除共模干擾。

3.2 諧波

變頻器的主回路主要由整流電路、逆變電路和控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成。電力電子器件具有非線性特性，當變頻器運行時，其要進行快速開關動作，因而產生高次諧波[3]。

諧波使電網產生附加的諧波損耗，降低配電設備和用電設備的使用率，嚴重時可能造成火災；諧波會使電動機產生機械振動、噪聲，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；諧波會引起公用電網局部的串聯諧振和并聯諧振，加劇上述危害；諧波電流的存在會在電網的阻抗上產生諧波電壓，使系統內繼電保護和自動裝置誤動或拒動；諧波會對臨近的通信系統產生干擾，導致通信質量下降。

在試驗機電氣系統中，常用的限制諧波電流的方法有：在直流母線上串聯直流電抗器；在交流進線側串聯交流線路電抗器；加裝無源濾波器；裝設有源電力濾波器；采用多相整流；裝設輸出濾波器等方法。這些手段可削弱輸入電路中浪涌電流對變頻器的沖擊、電源電壓不平衡的影響和輸入電流中的高次諧波成分，因此可有效抑制諧波干擾。

3.3 布線和布局

在試驗機電氣系統中，應盡量使用開關量實現控制。必須用模擬量控制時，建議對模擬量輸入信號和模擬量控制信號采用屏蔽電纜，且要一點接地。不同的信號電纜之間應在不同的電纜槽里分門別類地隔離鋪設或用隔板隔開。在布線時，應注意強弱電盡量分離，防止強電干擾弱電，造成弱電信號不準和測試參數失真。

變頻器最好安裝在控制柜內的中部;變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風、進風的大元件。變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部或者隔板必須足夠大，以作為連線的空間用。頂部也需留出最小空間用以散熱。

3.4 數據采集及信號傳送

為了實現數據采集及信號傳送中的抗干擾，應使用光電耦合器。光電耦合器的原邊是一個發光二極管，副邊是一個光敏三極管，用光傳遞信號，原邊與副邊之間完全沒有聯系。電磁感應產生的干擾電壓在線路懸空時可能很高，但能量并不大。在閉合回路中產生的電流一般不足以使發光二極管產生足夠的高度，因此光電耦合器能有效抑制干擾信號。光電耦合器一般用于數字信號，而模擬信號可用線性光電耦合器件隔離。

在低電平放大電路中合理接地是減少地噪聲干擾的重要措施，系統中使用單電源供給多只傳感器減少接地電阻引起的干擾。為使供電電源的壓降減到最小，電源高端導線也可按相似方法接線，使模擬和數字(包括轉換器的數字電源)地線間的公共阻抗最小。

因為數字地線通常有很大的噪聲和電流尖峰，所以所有的模擬公共地線和數字公共地線均應分開接線，然后只在一點匯集。

將系統內的直流線圈(如繼電器、接觸器和電磁閥的線圈)兩端并聯續流二極管，在交流線圈兩端并聯阻容吸收電路，以抑制電路斷開時因產生電弧而引起的干擾。二極管的負極接電源的正極，選用1A的二極管，其額定電壓大于電源電壓3倍。電阻與電容串聯，電阻取51～120 Ω，電容取0.1～0.47 μF,電容的額定電壓大于電源的峰值電壓。阻容元件也可接在電路中間繼電器、接觸器觸點的兩端。

正確接地是控制系統抑制干擾必須注意的重要問題。在設計中把接地和屏蔽正確結合可很好地消除外界干擾的影響。接地設計的基本目的是消除各電路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓以及復合電磁場和地電位差的影響，即使其不能形成地環路。在低頻電路中，接地電路形成的環路干擾影響很大，因此應一點接地；在高頻電路中，地線上的電感將增加地線阻抗，而且地線變成了天線，向外輻射噪聲信號，因此應多點就近接地。

接入電容器以便旁路掉調制在較慢的模擬電路上的高頻信號。

采用多級地技術解決接地回路電流對系統正常工作帶來的各種影響。將工作接地劃分為信號地、模擬地、數字地、電源地、機殼地和外設地等。在測控系統，由于各種不同的工作地均有可能引入相應的干擾信號，并將此干擾信號疊加到信號回路中，由此影響最終的采集數據。為了確保觀測結果的有效性和系統工作的穩定性，通過采用隔離變壓器隔離、DC-DC變換隔離和光電耦合隔離等技術，最大限度切斷地電流的各種耦合通路，實現將干擾信號隔離、屏蔽在信號回路之外的目的。

4 結束語

提供了抗干擾的有效方法用來解決軸承試驗機電氣系統干擾問題，這些措施同樣適用于其他領域的自動測控系統，為機電行業設備運行穩定、數據可靠、控制準確提供有力保障，用途廣泛且意義重大。