數控機床中電氣隔離技術分析及應用

蔣昌虎，陳曉偉，陳立貴

（1.國家機床產品質量監督檢驗中心（安徽），安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山機床及刃模具產品質量監督檢驗中心，安徽 馬鞍山 243000）

數控機床所使用的各種類型數控系統，包括PLC 控制、數字控制（DSP、FPGA），不論結構形式任何，在電力電子系統中，都是屬于弱電控制強電。根據電磁原理，強電所產生的強磁場必將會控制電路的弱電帶來干擾，對控制系統的穩定性產生不利影響。為了讓控制系統穩定工作，在系統設計與安裝時應采取一定電氣隔離，以實現抗干擾，保證電路穩定工作。本文將主要對主電路隔離進行研究分析。

1 電氣隔離

電氣隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來從而達到隔離現場干擾的目的電路隔離主要是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷從而達到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后絕大多數電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果使設備符合電磁兼容性的要求。

1.1 主電路隔離

大多數強干擾是通過供電系統進入數控機床電氣控制系統的，為此要對電源進行濾波、隔離和穩壓處理。在使用380V 電網電壓的條件下，可在輸入端加電源濾波器;若采用線性穩壓器，除了通過電源變壓器的隔離外，通常還要在三端穩壓器的基礎上增加由磁環和高頻電容組成的π 型濾波;必要時也可在控制系統的電源引腳加瞬態電壓抑制器，以減小電源噪聲的干擾。

電源變壓器是數控機床供電系統的主要元件，為了抑制電網中的干擾，一般選用隔離變壓器，且變壓器容量應比實際需要要大1.2～1.5 倍左右。在使用中應要求變壓器的屏蔽層良好接地，次級線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對于數控機床的PLC 的控制器電源，如果條件許可，還可在隔離變壓器前加入濾波器，此時變壓器的初級和次級連接線均需使用雙絞線，如圖1 所示。這樣干擾信號經濾波隔離后可大大減弱，增強了系統的可靠性。

圖1 濾波器和隔離變壓器的連接

采用1:1 隔離變壓器供電是傳統的抗干擾措施，對電網尖峰脈沖干擾有很好的效果。圖2 是典型的隔離變壓器原理圖。它抗干擾的原理是一次側對高頻干擾呈現很高的阻抗，而位于一次、二次繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了一、二次側所產生的分布電容，因此一次繞組只有對屏蔽層的分布電容存在，高頻干擾通過這個分布電容而被旁路入地。

圖2 1:1 隔離變壓器屏蔽及接地方式

1.2 交流電源隔離技術應用

由于交流電網中存在著大量的諧波、高頻干擾等，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設備，都應采取抑制措施。采用電源隔離變壓器，可以有效圖地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，即使一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側的噪聲電壓、電流直接傳輸到二次側，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間）的存在，交流電網中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設備的抗干擾性。圖3 所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。

圖3 變壓器隔離方式

交流電源綜合抗干擾設計如圖4 所示，為了消除因公共電阻引起的耦合，減少負載波動的影響，需要將測控系統和電網電源隔離開，同時也為了安全，需要在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個隔離變壓器。

圖4 交流電源抗干擾方案

1.3 直流電源隔離技術應用

當控制裝置和電子電氣設備的內部子系統之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應該相互隔離，其隔離方式如下:第一種是在交流側使用隔離變壓器，如圖5a 所示;第二種是使用直流電壓隔離器（即DC/DC 變換器），如圖5b 所示。

圖5 交流電源綜合抗干擾方案

2 小結

實踐證明，在采用電氣隔離措施后絕大多數電路均能取得良好的抑制噪聲效果，使設備符合電磁兼容性要求。在日常的機床電氣系統檢驗中，如遇數控系統電磁干擾現象，除分析電氣柜中的強、弱電干擾，還要對外部干擾源進行分析，以得到客觀結論。