水压机电控干扰原因分析及解决方法

李同明　郝向利

摘要：简要介绍了公司HFW焊管生产线现场水压机设备运行时，电气控制部分软启动器受到的电磁干扰影响，分析了造成干扰的原因、通常解决问题的方法，以及现场问题的解决过程。

关键词：HFW焊管;水压机;软启动器;电磁干扰

中图分类号：TG315.41

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.009

水压机设备是焊管生产线上精整段的主要设备，主要作用是对焊管进行静水压试验，检验焊管焊缝的承压能力是否满足相关标准要求。水压机设备的正常运行是焊管生产线每天产品检验出库的保障。在实际使用过程中，我公司水压机的电控系统因电磁干扰不能正常运行，严重影响了生产正常运转。

公司HFW钢管生产线主要生产φ219 - φ610 mm的焊管，生产线由美国ABBEY公司设计，电气全部采用美国ROC kWELL公司旗下AB公司的产品。由于生产的主要产品多集中在海洋石油项目上，壁厚大、质量性能要求高，生产上一般采用感应焊居多。精整段水压机设备、电气控制设备同样采用美国AB公司产品，控制液压站油泵的电气器件有6台全电压软启动器，控制水泵的有5台全电压软启动器。在焊管线生产某些规格产品时，水压机液压站的油泵运行会出现周期性的反复启动现象，而位置较远的水泵运行表现却始终正常，液压泵频繁起动最终导致热保护动作停機，严重影响水压机正常运行。

1 设备介绍

水压机为美国BRONX公司设计的产品，电气控制采用ROC kWELL旗下AB公司产品。其液压站由4台110 kW主泵和2台75 kW辅泵、1台15 kW循环泵、外加1台15 kW的先导泵组成。水泵由2台180 kW净水泵、3台55 kW污水泵组成。其油泵、水泵控制如图1所示。

AB全电压软启动器的型号为Bulletin 150 SMC PLUS，控制和过载保护器件采用AB E3 PLUS。水压机设备电气控制方式采用工业控制网（ ControlNet）转设备网（Device Net）模块通讯。所谓的全电压软启动器，就是软启动器在启动完成后并不退出主回路控制，可控硅仍控制全导通使三相电流通过，无需旁通接触器跨接软启动器主回路给负载供电。具体如图2所示。

2 问题分析

焊管线生产过程中，精整段水压机的液压站油泵软启动器运行过程中出现反复启动现象，几台油泵的现象相同，焊管线一旦停止运行，这一现象就会消失，而水压机分布相对较远的采用相同控制方式的水泵却没有出现这种现象。后来经过多次观察和分析，我们发现这一现象和焊管线运行有关，一旦焊管线高、中频机停止运行而其他焊管线设备继续运转时这种现象也不会出现。通过短接网络控制元件、直接控制软启动器运行的电气方法，发现仍会出现同样的现象，因此我们排除了网络控制的受干扰是造成该现象的原因，也就是说，这种现象是高频机运行对全电压软启动器本身造成干扰引起的，资料显示频率100 kHz以上的高频焊机感应圈周围辐射主要以电磁波的形式存在，电场和磁场一般在1m以外强度减弱到国家要求范围内;100 kHz以下频率焊机周围以电场和磁场形式存在，而且衰减的速度随距离增加变快，1 kHz、500 kW的中频机使用时功率一般最大在90%以内且效率较高，电场与磁场的影响距离非常短。通过外委测量公司的企业工作场合物理因素，报告中电磁场测量也符合国家标准。

高频焊机为美国THERMATOOL公司产品，1 200 kW，150 kHz。由于高频机和水压机均采用独立的变压器（10 kV/0.4 kV），电源线路相距有一定的距离，同时，水压机水泵控制的电源也采用了380 V/220V AC的隔离变压器，而且同型号、同样工作状态的水压机水泵软启动器却未受到干扰影响，所以，我们排除了通过电源线路污染造成软启动器受干扰的可能性，同时排除了高频传导干扰的方式。通过互换油泵和水泵软启动器的控制器，仍然是油泵软启动器工作受影响，水泵软启动器工作正常，这样就排除了油泵软启动器本身故障导致出现这样问题的可能。一般高频干扰方式包括传导干扰和电磁辐射干扰两种，排除了传导方式干扰，因此，我们认为高频电磁辐射造成的干扰是导致水压机软启动器的异常运行的主要原因。

观察发现并不是生产所有规格时都出现干扰现象，容易出现干扰现象的主要集中在φ273 - φ406 mm之间的几种规格，高频功率输出在500 - 800 kW之间。由于HFW焊管生产过程中钢管规格的变化，高频设备主要是功率、感应圈变化较大，频率浮动不大。钢管规格、壁厚、生产线速度变化，高频机的功率就会相应变化，感应圈的大小、长短也不同。色玛图焊机功率自动匹配的过程中，一般在振荡频率上运行，由于受钢管规格不同、感应圈大小不同、匹配电抗器行程等因素影响，从焊机的显示屏上看，实际运行频率无法稳定在150 kHz，有时会出现上下浮动，一般在149 - 151 kHz。在焊机焊接过程中，感应圈套接在钢管上，其中流过大功率的高频电流，在电磁感应加热的过程中部分能量就会以电磁波形式辐射到周围空间，距离近，信号强;距离远，信号逐渐减弱。由于规格的变化导致使用不同的感应圈和功率高低不同，恰好φ273 - φ406 mm常见的规格感应圈与钢管组合后，焊机功率自动匹配后在AB软启动器某些器件的振荡频率接近，设备的距离又相对较近，就容易受到这种频率的电磁辐射干扰，特别是软启动移相电路部分，使控制品闸管全导通后又再次移相起动，设备的正常运行受到影响。随着距离增加和其他物体的吸收，电磁辐射会逐渐减弱，受到该辐射的影响就会减少。这样就符合较近的液压站软启动器容易受干扰，较远的水泵软启动器未受到干扰的要求。

我们知道，高频焊机就是利用高频电流具有的特性，即临近效应和集肤效应，在成型焊接机架V形角区域通过感应圈对管体板材表面集中加热融化，经焊接挤压辊挤压后粘接在一起的焊接方法。在HFW焊管生产过程中，焊机由于是高频率大功率的焊接使用，不可避免地产生一定的电磁辐射和整流导致的电源污染。电磁干扰（ electro-magneticinterference.EMI）是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。尽管目前各大电气产品都有相关电磁兼容的设计，现实中电磁辐射干扰仍时常发生，对其他设备的正常运行造成一定的影响。

3 解决方法

电磁辐射干扰的防止一般采用屏蔽的方式。理论上采用如图3的形式。

高频磁场采用低电阻率的金属良导体材料来屏蔽，如铜、铝，当高频磁场穿过金属板时由于电磁感应原理在金属板上产生感应电动势，由于金属板的电导率很高所以产生很大的涡流，如图3（a）所示。涡流又产生反磁场，与穿过金属板的原磁场相互抵消，同时又增强了金属板周围的原磁场，总的效果是使磁力线在金属板四周绕行而过。如果做一个金属盒把线圈包围起来，则线圈电流产生的高频磁场在金属盒内壁产生涡流，从而把原磁场限制在盒内，不至于向外泄漏，起到主动屏蔽作用。金属盒外的高频磁场同样由于涡流作用只能绕过金属盒，而不能进入盒内，起到了被动屏蔽的作用，如图3 （b）所示。由于高频电流具有集肤效应，涡流只在金属表面的薄层中流过，金属屏蔽体不需太厚，薄薄一层（ 0.2 - 0.8 mm）金属良导体就能起到良好的高频磁场屏蔽作用。

电场屏蔽与磁场屏蔽相似，磁场屏蔽和接地与否关系不大，但电场屏蔽一般必须接地，所以常见的均是接地方式屏蔽。焊管生产线电气柜本身是铁制品，我们检查测试电气柜体互相连接及接地均显示良好，软启动器设备本身进行单独接地试验后也无明显效果;采用铝箔包裹屏蔽软启动器控制部分，单独接地，但可能由于软启动器的原进出线采用铜排，软启动器本身散热排风、连接电缆等影响，屏蔽后试验效果并不非常理想，偶尔仍会出现干扰现象。考虑现场无论采用薄的铜或铝板制作主动屏蔽高频焊机或被动屏蔽软启动器本身或柜体的壳体，同时又不影响其他设备的正常使用，实际操作起来都存在较大问题。

实际处理中，我们在尝试其他解决方案无法获得较好的效果后，最后采用了改动原有电气线路，使该全电压软启动器仅仅在油泵启动过程中发挥启动作用，即与普通软启动器作用相同，启动完成后就利用接触器旁路切除软启动器的运行，使油泵工作在正常国网电压下，解决了原液压站运行过程中受辐射干扰、频繁起动的问题。

4 结束语

在实际现场，往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防護，因为设备或系统上的电缆等也会干扰接收和发射天线。许多设备单台做电磁兼容实验时都没有问题，但当两台设备连接起来以后，就无法满足电磁兼容的要求。高频焊机工作时的电磁辐射，对其他设备产生影响的事例并不多见，但某些设备运行中仍会受到干扰，影响设备的正常使用。实际焊管生产线现场的布局比较固定，设备受到干扰后采取屏蔽等防制措施实施起来比较困难，因此，电气设备制造商以及机电一体化系统设计时应在相关设备制造、现场布局和安装时加强电磁兼容这方面的考虑，避免实际工作中产生相互影响。

参考文献：

[1]林国荣.电磁干扰及控制[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]何宏，张宝峰.电磁兼容和电磁干扰[M].北京：国防工业出版社.2007。

[3]孙可平.电磁兼容与抗干扰技术[M].大连：大连海事学院出版社，2006.