伺服線整流系統(tǒng)諧波問題攻關(guān)

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(chǎn)大型全工序伺服壓機(jī)高速?zèng)_壓線，列入國家重大專項(xiàng)項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目中包含多個(gè)國內(nèi)自主創(chuàng)新專利，其中包括伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、虛擬軸技術(shù)、能量管理技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等。其技術(shù)的先進(jìn)性、難度在國產(chǎn)沖壓設(shè)備行業(yè)中均前所未有，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的機(jī)械線。2017 年伺服沖壓線獲2017 年中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，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(jī)高速?zèng)_壓線采用伺服同步控制，和機(jī)械線以第一臺壓機(jī)（OP10）為參考的實(shí)軸控制不同，伺服線采用的是虛軸控制，當(dāng)壓機(jī)需要帶工藝曲線運(yùn)行時(shí)，虛軸與曲柄實(shí)軸建立凸輪同步關(guān)系，對應(yīng)的電子凸輪為CAM_continous，當(dāng)虛軸運(yùn)行時(shí)，曲柄也按照對應(yīng)的凸輪關(guān)系運(yùn)行。如果要改變生產(chǎn)節(jié)拍，只需要改變虛軸的運(yùn)行速度即可，同時(shí)整線機(jī)械手也與壓機(jī)主控虛軸同步，從而實(shí)現(xiàn)整線的同步控制。

2 系統(tǒng)供電配置

2.1 產(chǎn)品清單（表1）

表1 系統(tǒng)配置表

2.2 系統(tǒng)配置（圖1）

圖1 系統(tǒng)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(chǎn)初期，該系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障，主要體現(xiàn)設(shè)備故障為一些電源模塊燒毀，問題清單如下：①諧波導(dǎo)致的問題：小功率用電單元元器件損壞；②自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)線濾波器損壞；③壓機(jī)SEW橫桿車變頻器空開發(fā)熱跳閘；④壓機(jī)液壓拉伸墊軟啟動(dòng)器損壞；⑤西門子220 V SITOP 直流電源空開發(fā)熱跳閘；⑥伺服主電機(jī)水冷機(jī)直流電源損壞。

3.2 諧波產(chǎn)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(tǒng)中產(chǎn)生的諧波造成的，伺服線西門子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器絕緣柵雙極型晶體管工作時(shí)快速通斷產(chǎn)生脈沖狀干擾電流，導(dǎo)致非正弦的電流波形，伺服線西門子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器產(chǎn)生諧波的原因：①未能完全回到裝置本身進(jìn)行處理；②裝置本身阻抗沒有足夠低，諧波有部分流經(jīng)其他通路；③未能通過PE 排回變壓器中性點(diǎn)消耗；④系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮高頻干擾電流問題導(dǎo)致與供配電問題。

3.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在整線正常運(yùn)行狀態(tài)，整流系統(tǒng)投入時(shí)，諧波干擾明顯，諧波電壓畸變率>5%（國標(biāo)5%），整流系統(tǒng)停止工作后諧波電壓畸變率在3.5%附近波動(dòng)，在可控范圍內(nèi)。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(gè)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(qū)動(dòng)以及控制電柜增加隔離變壓器，降低諧波對控制柜內(nèi)的模塊的沖擊。

（2）變壓器分離供電（將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與壓機(jī)自動(dòng)化等其他控制系統(tǒng)完全隔離）。通過計(jì)算西門子伺服驅(qū)動(dòng)總設(shè)計(jì)需求，以及單臺變壓器的驅(qū)動(dòng)能力，提交機(jī)電設(shè)計(jì)院通過審核后，分開變壓器單獨(dú)供電，避免其他設(shè)備被西門子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)生的諧波干擾。西門子驅(qū)動(dòng)柜總計(jì)需求，有效值1700 A；其他配電需求，有效值約2050 A，含自動(dòng)化、壓機(jī)控制柜、拉伸墊、行車；單個(gè)變壓器自冷2300 A，風(fēng)冷3300 A，理論滿足分開供電要求；協(xié)同B&U 對變壓器進(jìn)行分開容量核算，方案提交機(jī)電設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(nèi)增加8 塊高頻濾波板有效降低諧波含量。

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

5 攻關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

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

表2 電壓總諧波畸變率統(tǒng)計(jì)報(bào)表

6 結(jié)束語

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