轴承试验机电气系统抗干扰技术的分析与应用

李宜谦，王健，杨俊生

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

轴承试验机可模拟实际使用工况测试轴承性能和寿命，试验结果可反映轴承设计、制造、材料及润滑等质量水平，是综合评价轴承质量的重要手段。但在轴承试验过程中，电气系统中的各种信号干扰会造成测控参数失真失控，从而影响试验结果，不能正确反映轴承性能指标。为确保测试数据准确，干扰问题必须得到较好解决。

1 试验机电气系统

为保证试验运行稳定、数据可靠和测试准确，试验机电气系统采用了以电液比例、电液伺服控制技术实现载荷的闭环控制；以变频调速控制技术实现试验机的无级调速；以工业计算机测控技术实现试验机测控和智能化管理；以抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性等方法以有效提高系统的抗干扰能力。

计算机测控系统可预设试验载荷、转速、运转时间和加热温度等主要参数，按照设定的程序运行并自动监测试验载荷、温度、振动、电动机转速和电流等参数。当试验轴承失效或试验机出现异常时，自动报警停机。

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子和通信等技术于一体的高科技技术。随着科学技术的高速发展，变频器以节能、可靠、高效的特性应用于工业控制的各个领域。但变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强，变频器同样会给试验机各测控温度、压力、振动、载荷和转速等参数带来干扰，严重时甚至可能造成整个系统工作瘫痪，是系统工作不稳定的主要因素。

2 抗干扰分析

在试验机电气系统中，抗干扰是得到高质量信号的重要措施。但是，试验机电气系统中模拟系统和数字系统集成交叉工作并与若干外设相连，同时传感器与相关导体(大地等)直接接触，多个通道之间通过模拟转换开关等进行切换。与此相应的外设地电流、开关阶跃[1]信号、数字脉冲信号、较强的变频器电磁辐射信号、各种用电设施造成的地环流信号以及各种串扰信号等构成了该系统的主要干扰信号。

3 抗干扰措施

3.1 接地

接地是抑制干扰、提高系统电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既可使系统有效抑制外来干扰，又能有效降低系统本身对外的电磁干扰。在实际应用中，由于系统中电源的零线(中线)、地线(保护接地线和系统接地线)不分，系统的屏蔽地(控制信号的屏蔽地和主电路导线的屏蔽地)连接混乱，大大降低了系统的稳定性和可靠性。

3.1.1 主回路的接地

在试验机电气系统中，主回路的正确接地是提高变频器抑制外界电磁干扰和减少变频器自身电磁干扰的重要手段。为了提高系统的抗干扰能力，一般不采用浮地，而要直接接地(接PE)。特别是变频器和机组共用一根接地线时，接地线必须通过接地汇流排可靠接地。作为一个系统，系统内的控制器(如工控机)应当与变频器单点接地。变频器与其他动力设备的接地点要分开(不能共用一根接地线)。由于变频器产生的漏电流对太远的接地点常会造成接地端子的电位不稳定，因而变频器的接地导线要粗，同时在可能的范围内要尽量短。接地线应按照电气设备技术基准所规定的导线线径规格。

3.1.2 传感器信号的屏蔽接地

在试验机系统中，各类信号的采集依靠各类传感器。温度、压力、转速等参数可准确反映轴承在试验机中的实时运转情况。这些传感器的共同特点是：为了提高抗干扰能力，信号线均采用屏蔽线，且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体相接。如果变频器或其他控制设备接地不良时，就会出现通过屏蔽层接地的情况，形成地电流，对系统工作的可靠性产生很大影响，严重时系统将无法工作。因此在试验机系统中，当距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的独立接地，或者选用传感器外壳不与屏蔽层相连的传感器，在变频器一侧实施一点接地；当距离较近时，可采用公共母线排接地，保证传感器与控制设备接地点之间的电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。

3.1.3 模拟信号屏蔽层接地

对于采用标准的4～20 mA，0～10 V及0～5 V的模拟信号控制变频器的频率/转速系统，信号的传送优先采用双绞线和双绞线的屏蔽线。由于模拟信号的频带较窄，原则上在接地的控制器或变频器一侧实施单点接地。对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重屏蔽的电缆，此时，外层屏蔽接屏蔽地线，内层屏蔽接系统地线。对于共模[2]干扰严重的场合，可通过添加共模电感消除共模干扰。

3.2 谐波

变频器的主回路主要由整流电路、逆变电路和控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成。电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，其要进行快速开关动作，因而产生高次谐波[3]。

谐波使电网产生附加的谐波损耗，降低配电设备和用电设备的使用率，严重时可能造成火灾；谐波会使电动机产生机械振动、噪声，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；谐波会引起公用电网局部的串联谐振和并联谐振，加剧上述危害；谐波电流的存在会在电网的阻抗上产生谐波电压，使系统内继电保护和自动装置误动或拒动；谐波会对临近的通信系统产生干扰，导致通信质量下降。

在试验机电气系统中，常用的限制谐波电流的方法有：在直流母线上串联直流电抗器；在交流进线侧串联交流线路电抗器；加装无源滤波器；装设有源电力滤波器；采用多相整流；装设输出滤波器等方法。这些手段可削弱输入电路中浪涌电流对变频器的冲击、电源电压不平衡的影响和输入电流中的高次谐波成分，因此可有效抑制谐波干扰。

3.3 布线和布局

在试验机电气系统中，应尽量使用开关量实现控制。必须用模拟量控制时，建议对模拟量输入信号和模拟量控制信号采用屏蔽电缆，且要一点接地。不同的信号电缆之间应在不同的电缆槽里分门别类地隔离铺设或用隔板隔开。在布线时，应注意强弱电尽量分离，防止强电干扰弱电，造成弱电信号不准和测试参数失真。

变频器最好安装在控制柜内的中部;变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部或者隔板必须足够大，以作为连线的空间用。顶部也需留出最小空间用以散热。

3.4 数据采集及信号传送

为了实现数据采集及信号传送中的抗干扰，应使用光电耦合器。光电耦合器的原边是一个发光二极管，副边是一个光敏三极管，用光传递信号，原边与副边之间完全没有联系。电磁感应产生的干扰电压在线路悬空时可能很高，但能量并不大。在闭合回路中产生的电流一般不足以使发光二极管产生足够的高度，因此光电耦合器能有效抑制干扰信号。光电耦合器一般用于数字信号，而模拟信号可用线性光电耦合器件隔离。

在低电平放大电路中合理接地是减少地噪声干扰的重要措施，系统中使用单电源供给多只传感器减少接地电阻引起的干扰。为使供电电源的压降减到最小，电源高端导线也可按相似方法接线，使模拟和数字(包括转换器的数字电源)地线间的公共阻抗最小。

因为数字地线通常有很大的噪声和电流尖峰，所以所有的模拟公共地线和数字公共地线均应分开接线，然后只在一点汇集。

将系统内的直流线圈(如继电器、接触器和电磁阀的线圈)两端并联续流二极管，在交流线圈两端并联阻容吸收电路，以抑制电路断开时因产生电弧而引起的干扰。二极管的负极接电源的正极，选用1A的二极管，其额定电压大于电源电压3倍。电阻与电容串联，电阻取51～120 Ω，电容取0.1～0.47 μF,电容的额定电压大于电源的峰值电压。阻容元件也可接在电路中间继电器、接触器触点的两端。

正确接地是控制系统抑制干扰必须注意的重要问题。在设计中把接地和屏蔽正确结合可很好地消除外界干扰的影响。接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压以及复合电磁场和地电位差的影响，即使其不能形成地环路。在低频电路中，接地电路形成的环路干扰影响很大，因此应一点接地；在高频电路中，地线上的电感将增加地线阻抗，而且地线变成了天线，向外辐射噪声信号，因此应多点就近接地。

接入电容器以便旁路掉调制在较慢的模拟电路上的高频信号。

采用多级地技术解决接地回路电流对系统正常工作带来的各种影响。将工作接地划分为信号地、模拟地、数字地、电源地、机壳地和外设地等。在测控系统，由于各种不同的工作地均有可能引入相应的干扰信号，并将此干扰信号叠加到信号回路中，由此影响最终的采集数据。为了确保观测结果的有效性和系统工作的稳定性，通过采用隔离变压器隔离、DC-DC变换隔离和光电耦合隔离等技术，最大限度切断地电流的各种耦合通路，实现将干扰信号隔离、屏蔽在信号回路之外的目的。

4 结束语

提供了抗干扰的有效方法用来解决轴承试验机电气系统干扰问题，这些措施同样适用于其他领域的自动测控系统，为机电行业设备运行稳定、数据可靠、控制准确提供有力保障，用途广泛且意义重大。