數控車間供電有缺陷怎麼辦？快來看解決妙招！
國內製造車間主要供電缺陷
說到製造車間供電質量，傳統上認為國內三相AC400V供電存在著「電壓波動大」和「諧波嚴重」的問題，因此，這也是很多用戶給NC設備前端安裝穩壓器的主要原因。但是，從目前實際來看，上述供電質量問題並不是目前CNC製造車間供電質量的主要問題，因此也不是影響CNC設備產生故障的主要原因。
從大量CNC製造車間的現場實際供電監測情況來看（接入專業電網檢測分析儀器在線24h不間斷地監測一段時間），只要車間內沒有大的電感設備（如高頻感應式熱處理設備）、「電壓波動」、「系統諧波」及「頻率誤差」等問題，一般還都是正常的或者說並不嚴重，並不是主要問題，而反映出來目前製造車間的三相AC400V供電系統的主要供電質量缺陷是「電壓跌落」和「電壓瞬變」。
「電壓跌落」也稱為「電壓驟降」、「電壓下跌」或者「電壓凹陷」。其是指供電電壓均方根值在短時間內突然下降到額定電壓幅值的90%，甚至降到10%，典型持續時間為0.5～30個周波的一種現象。而「電壓瞬變」則是在短時間內供電電壓幅值發生瞬時變化，不一定是電壓下降，還可能是電壓超高，或單相變化或三相都變化且不均衡。發生「電壓瞬變」時，不但變化的幅值大，且發生的頻次也很高，有時一天能有數百次之多。
「電壓跌落」和「電壓瞬變」與一般意義上的「電壓波動」有很大的區別。一般所說的「電壓波動」是指電壓比較緩慢的變化（如數秒到數分鐘不等）且三相變化比較均衡，這種較為緩慢的電壓變化可以用普通電壓表進行測量，由於現代CNC系統和伺服驅動都設計有較寬的電壓輸入範圍，所以這種緩慢但又是在範圍內的變化實際上對CNC設備並無實質性的影響。
而「電壓跌落」和「電壓瞬變」這兩種供電缺陷實際上對CNC設備的影響卻很大。它們都具有「幅值變化大，時間短促（數毫秒到數百毫秒），三相變化不均衡，可能伴隨相位跳變」等特點，並且上述兩種供電缺陷很難被察覺：由於時間非常短，人的感觀無法覺察，而使用如萬用表之類的一般測量儀器根本無法捕捉到，只有專用儀器才可以識別（見圖1～圖3）。
圖1 三相電壓跌落的幅度
圖2 三相電壓瞬變的幅度
圖3 一天內電壓瞬變的次數
而目前國內針對這兩種供電缺陷的研究還非常缺乏，對於其產生機理的認識還停留在「雷擊」和「輸電線路短路故障」等，但實際在CNC製造車間頻繁出現這些供電缺陷的同時並沒有什麼「雷擊」或者「短路故障」發生。既然沒有機理上的清晰認識，則更談不上應用於製造車間層級的解決方案。而國內製造用戶對此供電缺陷或者根本不知，或者不予理睬，或者給CNC設備前端大量安裝穩壓器，總體成本不菲。
值得注意的是，在發達的工業化國家中，「電壓跌落」和「電壓瞬變」引起70%～90%的電能質量問題。據報道：在歐洲，由此引起的用戶投訴占整個供電質量問題的80%以上，而由「諧波」引起的投訴不到20%。而就國內很多CNC製造車間供電的監測結果來看，正好也反映了這種趨勢。這說明，隨著國內工業化的進程，與已開發國家一樣，目前供電缺陷的實質性因素在國內很多場所已經發生了根本性的變化。
電壓跌落和瞬變對CNC設備的影響
從實際監測結果來看，電壓跌落的幅值有時候是非常大的，例如：在某次監測中發現標準相電壓AC230V有時能跌落到只有20V左右，而電壓瞬變則可能瞬間電壓升得很高，例如標準相電壓AC230V有時能沖高到680V左右。值得慶幸的是，上述這樣大幅度的變化往往時間很短，只有幾個毫秒到十幾個毫秒。但是一旦此類情況持續時間較長（如幾十到數百毫秒），就會產生較大的影響。
例如：數控系統的PCU或者NCU其實就是一台工業計算機，通過一個交直電源和電網連接，其原理和普通PC類似，當輸入電壓下降到額定的70%以下並持續超過20ms，部分PC就很可能就無法工作，或者發生數據丟失或者出錯，造成CNC系統的報警、數據丟失及RAM紊亂等情況。
CNC工具機普遍採用的交流伺服系統也會受到電壓跌落的影響。比較輕微的表現就是「跳閘」或者「電機速度波動」，會影響CNC加工零件表面質量。而如果由於電壓非均勻跌落導致三相相位的跳變，則比較嚴重，甚至能引起伺服驅動電源部分的損壞。
而電壓瞬變則會瞬間產生超高的電壓，雖然時間很短，但是頻繁的超高壓可能會造成元器件的損傷，造成元器件的提前損壞。更嚴重地也可能會產生三相相位的錯亂，造成電源整流器件IGBT的損壞。大量實際案例說明此類問題有相當比例。
車間配電系統的短路容量
在配電設計里，「系統故障級」（system faultlevel）是一個非常重要的配電設計指標，但在實際中發現，這個指標往往被忽視。
「系統故障級」在國內一般被稱為「短路功率」或者「短路容量（short-circuitpower）」，為避免引起歧義，以下以「短路容量」名詞為準。
表面上看，短路容量是配電系統開關保護器件（如熔斷器等）選擇的依據，並決定著其他連接設備的經濟限度。但更深的含義是：短路容量直接影響著供電的質量，影響著供電缺陷的程度和頻次，對於CNC工具機的可靠運行來說非常重要。而現在普遍對於這一點是認識不足的。
從供電專業角度講，當一個電網足夠大時，電壓跌落、瞬變及諧波等供電缺陷就會自然消失。反之，如果電網容量太小，任何稍微大一__些負載的接入或斷開就會比較明顯地影響到系統整體的電壓。這實際上就是電網越大越平穩的原因。同樣地，對於某個低壓配電系統來說，系統較低的短路容量導致的配電系統中電壓跌落和電壓瞬變這些供電缺陷比較多，也會伴隨著電壓波動、諧波等其他問題。「短路容量太小」實際上是目前CNC製造車間供電質量缺陷的主要原因。
從安全的角度講，短路容量比較高，當發生接地短路故障時，由於短路電流較大，熔斷器（或斷路器）能儘快地熔斷（斷開），起到保護作用。而短路容量比較低則增加了斷路器的反應時間，可能導致長時間過電流，增加了火災的風險。短路容量較大帶來的問題就是短路電流較大，對熔斷器等保護器件設計要求提高，會增加相應的成本。
由此看出，短路容量這個指標非常重要，需要從降低供電質量缺陷和降低短路電流衝擊的兩個不同的角度找到一個合理的平衡。
一個車間配電系統的短路容量與母排電阻和電抗有關，但主要取決於變壓器的特性。一般來講，工廠內的架空線為AC10kV或者6kV，然後車間用降壓變壓器將其降低為AC400V供廠房內設備使用。如果一個廠房的配電全部來自於一個變壓器，則有大致的公式可以估算車間配電系統的短路容量S k=變壓器額定功率Pn÷變壓器的短路阻抗Uk
由此可知，短路容量和變壓器的額定功率成正比，和變壓器的短路阻抗成反比。同樣的短路阻抗情況下，額定功率越大，短路容量越大；同樣額定功率情況下，短路阻抗越小，短路容量越大。
只要有足夠的短路容量，在這個變壓器所供電的配電系統中供電質量就基本上有保證，反之則會出現較多的問題。而如果一個車間有若干個變壓器供電，則需要每個變壓器的短路容量都合適，否則那個不合適的變壓器所供電的配電系統中的供電就有問題。
所以，從開始配電設計就選擇合適的供電變壓器是最好、最根本的解決方案。給每台CNC設備單獨安裝穩壓器當然也是一個解決方案，但是由於設備數量多，並且穩壓器成本要比同功率的變壓器成本高得多，無疑總成本要高很多，並且這種辦法依舊不能解決總母線上的供電缺陷問題。所以說，選擇安裝合適的總供電變壓器而不再給每台CNC設備安裝穩壓器實際上成本更低，效果更全面。
需要指出的是：如果車間廠房剛開始時設備不多，但是隨後不斷增加新的設備，而超出了原來的配電設計能力，也需要繼續增加變壓器數量或者更換更大功率的變壓器，以繼續維持足夠的短路容量。
CNC製造車間變壓器的選擇
一般地從傳統意義上講，配電變壓器選擇的依舊主要是考慮變壓器的負荷率。但是CNC製造車間的變壓器選擇出發點首先是「儘量保證供電質量」。
從保證供電質量出發，在不考慮其他負載的情況下，僅考慮CNC工具機的交流伺服系統，則配電系統的短路容量應該是各CNC工具機伺服電源模塊額定功率總和的70倍以上，考慮「同時係數」，可以略有縮小，係數為0.73。
例如：車間有20台CNC工具機，全部是55kW的再生饋電式電源模塊，則總電源模塊功率是20×55=1 100（kW），則車間配電系統的最小短路功率：Sk=1 100×70×0.73=56 210（kVA）。如果選擇的變壓器的短路阻抗為4%，則變壓器的額定功率Pn=56 210×0.04=2 248（kVA）。如果考慮工具機實際上還有少量其他一般性如液壓泵、排屑器等負載（例如總計為300kW左右），總數增加到2500kVA左右。而車間變電所單台變壓器一般不超過1 250kVA，則此車間應該至少使用2台阻抗為4%的額定功率為1 250kVA的變壓器平均分配供電。
可見，對傳統車間僅考慮負荷率的方法是不適合CNC製造車間的。
對於CNC製造車間要把「考慮供電質量」作為首先要考慮的，對此應該有一個認識上的突破。
變壓器的短路阻抗
從上述描述中可以知道，變壓器的短路阻抗Uk（也稱為「阻抗電壓」或「短路電壓」）實際上是一個非常關鍵的參數，但很多配電設計人員經常忽視這個指標的重要性。
短路阻抗Uk是一個非常重要的指標。Uk越大，電壓壓降和電壓變化率越大，反映出來「電壓跌落」和「電壓瞬變」這些缺陷越多，供電質量越差，那麼對CNC設備的影響就越明顯，但是如果發生負載短路情況，變壓器所承受的短路電流衝擊也越小。反之，Uk越小，變壓器輸出電壓壓降和電壓變化率越小，反映出來「電壓跌落」和「電壓瞬變」這些缺陷越少，供電質量越好，那麼對CNC設備的影響就越小，但是如果發生負載短路情況，變壓器所承受的短路電流衝擊也越大。當然這只是理論可能性，實際上是，車間設備故障所引發的短路情況一般都影響不到變壓器那裡，前端若干級的斷路器早就起到了保護作用。
之所以說短路阻抗Uk非常重要，是因為其看似少量幾個百分點的差別，但是造成系統短路功率差異數倍。例如：一個額定功率400kVA的變壓器，Uk=4%時，Sk=10 000kVA；而如果當其Uk=8%時，Sk=5 000kVA，車間配電系統的短路功率相差一倍，帶來的供電質量就有較大的差別。
所以，看上去額定功率相同的變壓器的實際使用效果不一定是相同的。
既然短路阻抗Uk小一些比較好，為什麼會在實際中有大量阻抗比較大的變壓器在使用呢？變壓器的阻抗本質上是漏磁通所生成，鐵心尺寸越大，漏磁通越小，阻抗就越小，但是鐵心尺寸越大變壓器尺寸越大，成本就越高，占地面積也越大。因此，阻抗指標可能會被人為地放大以到達降低成本的目的。
根據國家標準GB1094，車間供電最常用的1 250kVA規格以下的變壓器的Uk範圍是4%和5%。但是由於阻抗指標不被重視，現場經常可以看到標稱阻抗已經大幅度超出此範圍的變壓器在使用，更有甚者，某些變壓器銘牌上根本就沒有此指標。
真正的三相五線制
如果配電系統的短路功率已經足夠大，不再是問題，那麼接下來就主要是接地的問題了。
只要車間供電採用了三相五線制（TN-S）就肯定比用三相四線制（TN-C）好嗎？從理論上來說當然如此，但是實際中卻不是這樣。大量的實踐證明，採用TN-S和TN-C與CNC設備的各種電器故障並沒有直接的關聯。那又是怎麼回事？
問題的根源在於「有些所謂的三相五線制根本就不是真正的三相五線制」。
在三相五線制「TN-S」的定義中：「T」表示電氣裝置的外露可導電部分直接接地，「N」表示電氣裝置的外露可導電部分與電源接地點有直接的電氣連接，而「S」表示中性線N和地線PE是分開的。車間的「電源接地點」就是車間變壓器的中性點，而變壓器中性點在變壓器房間內肯定是有良好接地的。簡單地一句話：只有和中性點可靠連接的PE才是真正的PE。對於三相五線制而言，CNC設備電櫃一般只接入L1/L2/L3和PE而不接入N，如果PE和變壓器中性點有直接可靠的連接，則L1/L2/L3的線電壓是相對平衡和穩定的；而如果PE和變壓器中性點並沒有直接可靠的連接而只是通過大地導通，由於這種導通阻抗的不確定性，則L1/L2/L3的線電壓就有可能出現超高的情況。一旦瞬時超過元器件耐壓，絕緣氣隙的設計要求，就會造成驅動電器元器件的損壞。
換句話說，如果三相四線制的PEN做得比較好，不但和中性點有可靠的連接，接地電阻也很小，則三相四線制也可以保證CNC設備良好地運行。GB14050《系統接地的型式及安全技術要求》規定了正確的TN-S接線方法，如圖4所示。可見，PE和N雖然在布線過程中是分開的，但是最終在變壓器中性點處是連接在一起的（也就是說「有直接的電氣連接」），並且在此做了可靠的接地。而IEC61000標準的圖片則更為清晰地顯示了這一點（見圖5）：它不但指出了PE和N最終在變壓器中性點連接在一起，而且PE在布線過程中還要多次做重複接地，以降低接地電阻並更為安全。
圖4 GB14050中規定的TN-S接線圖
圖5 真假TN-S
實際中經常發現，用戶在CNC車間供電設計時，將PE接地和變壓器中性點接地分隔開，PE雖然也接地（例如在地溝中，或者在設備附近的地基泥土裡），但是此接地和變壓器中性點並不直接由金屬導體連通（只是通過大地連通）。這種情況下，就會缺乏中性點的抑制平衡作用，L1/L2/L3線電壓超高的機率大大增加，CNC設備故障也就隨之上升。
對此的對策就是：從車間配電設計階段就弄清楚概念，做真正的三相五線制。並且，PE在布線過程中要多次做重複接地，既可以降低接地電阻，對操作人員來說也更為安全。
結語
對CNC製造車間配電設計的出發點應該是「減少供電缺陷」。
而配電系統的「短路容量大小」和「接地質量是否良好」是保證供電質量的最根本因素，只要抓住了最根本的因素，CNC車間的供電質量就有保證，就可以大幅度減少由於供電缺陷引起的CNC設備故障。