淬火机床中频电源谐波分析与处理

胡宏明，马朋久

（南京高速齿轮制造有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

风电齿圈的齿表面采用中频感应淬火工艺，感应淬火机床由德国EMA公司制造。在进行淬火时，机床会出现中频电流过电流故障，但故障复位后，重新加工，又可以正常使用。通过对感应淬火机床淬火工作原理分析，并经维修实践，彻底解决了这个问题。

1 感应淬火机床中频电源工作原理

淬火机床的中频电源工作原理是将三相交流市电经过三相全波整流电路变为直流电，而后再经过可控的逆变电路逆变成电压可调的交流电（图1），在整流电路与逆变电路之间有平波电抗器，电阻电容等滤波电路，中频电源的工作频率一般在（1～8）kHz。负载由感应线圈，电容和被淬火齿圈组成，连接成并联谐振电路（图2），其中，T10为逆变后中频电压升压变压器，T2为降压变压器，R为感应器线圈感。

感应淬火机床加工的零件品种较多，不同模数的齿圈匹配不同的感应器，不同的感应器与齿圈构成的谐振回路的震荡频率不同，从故障的发生频率分析看，加工的工件和使用的感应器不同，发生中频电流过电流故障的频率不同。故障率高的工件模数15.2 mm，故障率低的工件模数16.25 mm发生过电流故障时的电流波形如图3所示。

图1 整流电路

图2 逆变电路部分电路

图3 过电流故障波形

2 淬火过程中产生过电流故障分析与处理

（1）图3中标记位置为淬火过程中产生过电流报警时的尖峰电流，由于在感应器上的电压是经过匹配变压器降压后加在感应上的，实测电压值在10 V左右，在加工齿圈时感应器上通过的电流是很大的，为此对变压器后端回路的连接部分做了重点检查。

（2）在查找处理过电流报警的过程中，做了很多检查测试工作。也发现了有一些有异常地方，如感应器底座与汇流排的连接部分，感应器与底座的连接部分端面有连接不好打火的地方。

（3）电抗器漏水导致绝缘强度降低而导致过电流。明显有问题的地方处理过以后，过电流故障有所减少，但是并没有彻底消除。除此之外为了能够查出故障的根本原因，还做了水电缆检测，电容器的检测等，并没有发现什么异常。

3 谐波分析与处理

（1）由于中频感应淬火机床淬火电源工作原理是将三相进线交流电压经过整流再经过单相逆变，经过升压再降压到感应器，在电路谐振时会产生谐波干扰，有可能导致检测控制回路误动作而触发过电流报警检测模块。为此使用谐波测量仪器对2台机床在淬火时进行了谐波测量，其中一台是过电流故障频发的，一台是极少发生过电流故障的设备，从记录中可以看出5，7，11次谐波电流较大。另外一台故障极少发生的机床数据记录未能找到，从现场实测时看，发现5，7次谐波电流与前一台数据偏差不大，但11次谐波电流值不到1%。

（2）解决电力电子装置和其它谐波污染源的方法分析。①增加谐波补偿装置来补偿谐波，减少其对电网的污染，这对于各种谐波都适用。②对电力电子装置本身进行改造，减少谐波产生，使功率因数接近1。公司的中频淬火电源由于出厂时结构已定，各种元件的尺寸规格都已经确定，改造电力电子装置本身基本上行不通，而外加谐波补偿装置对整流后部产生的谐波想起到良好的抑制作用，也由于结构不好改动而不好实施。在设备进线侧加谐波补偿装置只能减少设备产生的谐波对电网的污染，对设备内部产生的谐波起不到抑制作用。

（3）针对谐波污染产生的干扰，想通过对主回路改造来解决这一问题的途径基本上已经被堵死了，而这个问题若不解决，又会给产品质量带来不可估量的质量风险，在这种情况下，考虑能不能在检测回路上找到突破口，找到一种信号处理装置把干扰信号滤除掉而又不会对有用的信号产生影响，这样就不会使检测模块误动作而造成产品质量缺陷的风险。为此找到一种能够滤除干扰信号的装置—— 信号隔离器。

4 隔离器在工业自动化控制领域中的应用

（1）在工业自动化生产的过程中，经常需要采集现场的数据用于数据的转换分析与处理，现场采集的信号主要有模拟量和数字量 2种，模拟量一般都是 DC（0～5）V 和（0～10）V，以及（0～20）mA 和（4～20）mA 等弱电信号，这些信号输入到仪表或PLC用来监视生产过程状态和控制现场执行机构的动作。在信号传输的过程中极易受到现场各种干扰源的干扰，如交流弧焊机工作时，变频器，大功率电机的启动等，都会对现场的弱电信号造成干扰，影响数据测量的准确性和稳定性，数字信号受到干扰后可能会导致PLC逻辑控制错误，执行机构的误动作，进而可能会造成设备损坏和人员伤害的重大事故。信号隔离器的广泛应用为解决现场信号干扰问题找到了解决问题的途径。

（2）解决信号干扰的主要措施有隔离、滤波、屏蔽和接地等。公司的感应淬火机床设备上产生故障的解决办法主要用到是信号的隔离技术，信号隔离器采用隔离技术，断开过程环路中的直接连接电路，但又不影响信号的正常传输，从而彻底解决了上述问题。

（3）信号隔离器型号：PA-1176。

5 方案实施

中频电流通过800/5 A的电流互感器进入（0～5）A转换（0～20）mA 的电流变送器，信号隔离器输入（0～20）mA，输出（0～20）mA电流，不改变电流大小，只起到滤除干扰信号作用。

验证：加入信号隔离器前后电参数对比，加隔离器前输出功率，电压，电流，频率等参数与加隔离器之后对比，基本没有变化，试加工工件检测正常。之前经常出现过电流故障的模数16.25的齿圈在加了隔离器后一直未出现过电流引起的功率缺失报警。

6 结论

进口感应淬火机床投入使用后，从开始出现过电流故障报警到找到解决故障的方法，花费了很长时间。机床厂的国外专家也来进行检查分析，因该故障随机性大，复位后故障消失，一直没有解决此故障。通过对机床工作原理分析并大胆尝试，终于找到问题根源并解决。在设备维护过程中要善于研究分析，总结，拓展解决问题的思路，总会找到解决问题的办法。

［1］罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京：中国电力出版社.2006.

［2］牛卢璐.对电力系统谐波的来源分析及其治理措施［J］.黑龙江科技信息，2008（35）：34，381.