伺服线整流系统谐波问题攻关

彭汉涛，刘 全

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司，湖北武汉 430200）

0 引言

武汉基地冲压车间5#冲压线为首条国产大型全工序伺服压机高速冲压线，列入国家重大专项项目，整个项目中包含多个国内自主创新专利，其中包括伺服驱动控制技术、虚拟轴技术、能量管理技术、虚拟仿真技术等。其技术的先进性、难度在国产冲压设备行业中均前所未有，远超传统的机械线。2017 年伺服冲压线获2017 年中国机械工业科学技术一等奖，2018 年6 月伺服冲压线获国家工信部正式审核通过。

1 伺服线工艺控制介绍

伺服压机高速冲压线采用伺服同步控制，和机械线以第一台压机（OP10）为参考的实轴控制不同，伺服线采用的是虚轴控制，当压机需要带工艺曲线运行时，虚轴与曲柄实轴建立凸轮同步关系，对应的电子凸轮为CAM_continous，当虚轴运行时，曲柄也按照对应的凸轮关系运行。如果要改变生产节拍，只需要改变虚轴的运行速度即可，同时整线机械手也与压机主控虚轴同步，从而实现整线的同步控制。

2 系统供电配置

2.1 产品清单（表1）

表1 系统配置表

2.2 系统配置（图1）

图1 系统配置

3 整流谐波问题背景及原因分析

3.1 谐波背景介绍

在武汉冲压伺服线投产初期，该系统出现一些故障，主要体现设备故障为一些电源模块烧毁，问题清单如下：①谐波导致的问题：小功率用电单元元器件损坏；②自动化驱动装置进线滤波器损坏；③压机SEW横杆车变频器空开发热跳闸；④压机液压拉伸垫软启动器损坏；⑤西门子220 V SITOP 直流电源空开发热跳闸；⑥伺服主电机水冷机直流电源损坏。

3.2 谐波产生原因分析（图2）

图2 谐波原因问题分析

分析主要原因是由于供电系统中产生的谐波造成的，伺服线西门子驱动系统变频器绝缘栅双极型晶体管工作时快速通断产生脉冲状干扰电流，导致非正弦的电流波形，伺服线西门子驱动系统变频器产生谐波的原因：①未能完全回到装置本身进行处理；②装置本身阻抗没有足够低，谐波有部分流经其他通路；③未能通过PE 排回变压器中性点消耗；④系统设计时未考虑高频干扰电流问题导致与供配电问题。

3.3 数据验证

在整线正常运行状态，整流系统投入时，谐波干扰明显，谐波电压畸变率>5%（国标5%），整流系统停止工作后谐波电压畸变率在3.5%附近波动，在可控范围内。谐波畸变率如图3 所示。

图3 谐波畸变率

4 整流谐波问题解决方案

谐波的解决方案从两个方面入手，第一隔离谐波干扰，第二降低谐波干扰。

4.1 隔离谐波干扰

（1）采用隔离变压器。对西门子的驱动以及控制电柜增加隔离变压器，降低谐波对控制柜内的模块的冲击。

（2）变压器分离供电（将驱动系统与压机自动化等其他控制系统完全隔离）。通过计算西门子伺服驱动总设计需求，以及单台变压器的驱动能力，提交机电设计院通过审核后，分开变压器单独供电，避免其他设备被西门子驱动系统的产生的谐波干扰。西门子驱动柜总计需求，有效值1700 A；其他配电需求，有效值约2050 A，含自动化、压机控制柜、拉伸垫、行车；单个变压器自冷2300 A，风冷3300 A，理论满足分开供电要求；协同B&U 对变压器进行分开容量核算，方案提交机电设计院审核。

4.2 降低谐波干扰

（1）采用电抗器（降低谐波含量）。在变压器和西门子驱动之间增加电抗器，有效降低谐波含量。

（2）采用滤波板（减少谐波含量）。在AIM 电柜内增加8 块高频滤波板有效降低谐波含量。

（3）引导谐波通过既定通道返回装置消耗（将N、PE 排变为PEN 排并增加变压器中性点PE 排和N 排连接以及增加电机线缆屏蔽层接地）。采取TN—C 供电系统可以降低谐波到变压器中性点的阻抗，使谐波相比其他通道更易到变压器中性点变成热量消耗

5 攻关数据验证

通过一些列的谐波干扰攻关，未上电时（工况1），谐波比（3.85%），测试的谐波含量最大4.43%，符合国标要求，整线运行稳定（表2）。

表2 电压总谐波畸变率统计报表

6 结束语

上汽通用武汉基地伺服压机线是国内的第一条伺服线，通过对伺服线线的谐波干扰攻关，对后续的伺服冲压线的谐波问题处理提供了理论和实践支持。武汉基地有关整流谐波问题解决办法可以对国内新建的伺服线有着非常重要的参考指导意义，同时该问题同样适用于非线性负载应用，国内冲压线的整流、变频器的供电系统均可以借鉴。