伺服線整流系統諧波問題攻關

彭漢濤，劉 全

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北武漢 430200）

0 引言

武漢基地沖壓車間5#沖壓線為首條國產大型全工序伺服壓機高速沖壓線，列入國家重大專項項目，整個項目中包含多個國內自主創新專利，其中包括伺服驅動控制技術、虛擬軸技術、能量管理技術、虛擬仿真技術等。其技術的先進性、難度在國產沖壓設備行業中均前所未有，遠超傳統的機械線。2017 年伺服沖壓線獲2017 年中國機械工業科學技術一等獎，2018 年6 月伺服沖壓線獲國家工信部正式審核通過。

1 伺服線工藝控制介紹

伺服壓機高速沖壓線采用伺服同步控制，和機械線以第一臺壓機（OP10）為參考的實軸控制不同，伺服線采用的是虛軸控制，當壓機需要帶工藝曲線運行時，虛軸與曲柄實軸建立凸輪同步關系，對應的電子凸輪為CAM_continous，當虛軸運行時，曲柄也按照對應的凸輪關系運行。如果要改變生產節拍，只需要改變虛軸的運行速度即可，同時整線機械手也與壓機主控虛軸同步，從而實現整線的同步控制。

2 系統供電配置

2.1 產品清單（表1）

表1 系統配置表

2.2 系統配置（圖1）

圖1 系統配置

3 整流諧波問題背景及原因分析

3.1 諧波背景介紹

在武漢沖壓伺服線投產初期，該系統出現一些故障，主要體現設備故障為一些電源模塊燒毀，問題清單如下：①諧波導致的問題：小功率用電單元元器件損壞；②自動化驅動裝置進線濾波器損壞；③壓機SEW橫桿車變頻器空開發熱跳閘；④壓機液壓拉伸墊軟啟動器損壞；⑤西門子220 V SITOP 直流電源空開發熱跳閘；⑥伺服主電機水冷機直流電源損壞。

3.2 諧波產生原因分析（圖2）

圖2 諧波原因問題分析

分析主要原因是由于供電系統中產生的諧波造成的，伺服線西門子驅動系統變頻器絕緣柵雙極型晶體管工作時快速通斷產生脈沖狀干擾電流，導致非正弦的電流波形，伺服線西門子驅動系統變頻器產生諧波的原因：①未能完全回到裝置本身進行處理；②裝置本身阻抗沒有足夠低，諧波有部分流經其他通路；③未能通過PE 排回變壓器中性點消耗；④系統設計時未考慮高頻干擾電流問題導致與供配電問題。

3.3 數據驗證

在整線正常運行狀態，整流系統投入時，諧波干擾明顯，諧波電壓畸變率>5%（國標5%），整流系統停止工作后諧波電壓畸變率在3.5%附近波動，在可控范圍內。諧波畸變率如圖3 所示。

圖3 諧波畸變率

4 整流諧波問題解決方案

諧波的解決方案從兩個方面入手，第一隔離諧波干擾，第二降低諧波干擾。

4.1 隔離諧波干擾

（1）采用隔離變壓器。對西門子的驅動以及控制電柜增加隔離變壓器，降低諧波對控制柜內的模塊的沖擊。

（2）變壓器分離供電（將驅動系統與壓機自動化等其他控制系統完全隔離）。通過計算西門子伺服驅動總設計需求，以及單臺變壓器的驅動能力，提交機電設計院通過審核后，分開變壓器單獨供電，避免其他設備被西門子驅動系統的產生的諧波干擾。西門子驅動柜總計需求，有效值1700 A；其他配電需求，有效值約2050 A，含自動化、壓機控制柜、拉伸墊、行車；單個變壓器自冷2300 A，風冷3300 A，理論滿足分開供電要求；協同B&U 對變壓器進行分開容量核算，方案提交機電設計院審核。

4.2 降低諧波干擾

（1）采用電抗器（降低諧波含量）。在變壓器和西門子驅動之間增加電抗器，有效降低諧波含量。

（2）采用濾波板（減少諧波含量）。在AIM 電柜內增加8 塊高頻濾波板有效降低諧波含量。

（3）引導諧波通過既定通道返回裝置消耗（將N、PE 排變為PEN 排并增加變壓器中性點PE 排和N 排連接以及增加電機線纜屏蔽層接地）。采取TN—C 供電系統可以降低諧波到變壓器中性點的阻抗，使諧波相比其他通道更易到變壓器中性點變成熱量消耗

5 攻關數據驗證

通過一些列的諧波干擾攻關，未上電時（工況1），諧波比（3.85%），測試的諧波含量最大4.43%，符合國標要求，整線運行穩定（表2）。

表2 電壓總諧波畸變率統計報表

6 結束語

上汽通用武漢基地伺服壓機線是國內的第一條伺服線，通過對伺服線線的諧波干擾攻關，對后續的伺服沖壓線的諧波問題處理提供了理論和實踐支持。武漢基地有關整流諧波問題解決辦法可以對國內新建的伺服線有著非常重要的參考指導意義，同時該問題同樣適用于非線性負載應用，國內沖壓線的整流、變頻器的供電系統均可以借鑒。