CNC機床的浪湧保護
CNC代表電腦數值控制，即透過電腦自動控制鑽床、車床、銑床及3D印表機等加工設備。.
根據其應用需求，CNC機台配備不同類型的電子元件，包括專用電子控制系統／可編程邏輯控制器（PLC）／顯示單元（可選配觸控螢幕）、電腦介面等。.
數控機床的故障源於低壓網絡穩態誤差與瞬態誤差中兩種關鍵擾動（存在變量）。.
穩態誤差主要包含持續數個週期的過電壓（電壓突升）、諧波、射頻干擾/電磁干擾效應等。.
瞬態錯誤包含瞬態過電壓，即雷擊浪湧及因焊接、電容器組切換等操作所產生的開關浪湧。.
雷擊導致故障的兩個重要原因
直接雷擊。此類情況極為罕見，因CNC機台均安裝於建築物內並由次配電盤供電，而在易遭雷擊區域，僅主配電盤會承受直接雷擊衝擊。另一常被忽略的原因是感應雷擊——此時除光纖電纜外，所有類型的電纜皆會傳導雷擊電流。.
在探討浪湧保護器（SPD）之前，讓我們先理解何謂電湧及其對數控機床的影響，如此方能更有效地安裝適當的浪湧保護器，以保障數控機床的安全。.
簡而言之，浪湧是指電流與電壓在短時間內（閃電期間為350微秒，開關期間為20微秒）的突然增高。浪湧的來源多種多樣。.
人工瞬態浪湧由電壓驟降、停電、電容器切換、重型設備頻繁開關、焊接作業、靜電放電等因素引發。自然界則產生兩類浪湧：直接雷擊（極為罕見）與遠端雷擊誘導的間接浪湧（常見現象）。.
保護CNC機床電子元件免受電壓突波影響，避免EPROM損毀
許多人認為除非親眼目睹燒焦的印刷電路板，否則不會接受問題源於雷擊/開關突波效應。在正常設備運作中，我們更常遇到的問題是可擦寫可編程只讀記憶體（EPROM）的損壞。.
這可從人機介面（MMI）面板中突然出現的垃圾資料看出。 通常情況下，將PLC或DCS迴路切換至手動模式、移除損壞的EPROM、使用紫外線擦除器清除資料、重新編程後再投入運作，並非常見做法——此流程耗時冗長且易導致生產損失。若探究EPROM突發性損壞的根源，其成因在於電壓突波。.
因為在編程過程中，特定的EPROM引腳會施加高於正常工作電壓的電壓（使EPROM理解其處於編程模式而非正常運作模式）。.
在電壓突波期間，同樣的情況也會發生。由於IC的引腳突然出現高電壓，它會誤判為處於程式設計模式，而引腳上出現的額外高電壓則會觸發相應的動作。.
此為EPROM收集的成因。其結果是，浪湧強度是導致CNC機台程式故障或損毀的唯一因素。CNC機台的SMD元件與電子設備在設計時，已能承受輕微的電壓升高，此升幅完全落在容差範圍內。.
此稱為設備耐壓測試，針對輸入電源電壓為230V交流電的可編程邏輯控制器（PLC）及電子設備，通常要求能承受1000V交流電有效值的電壓持續1分鐘。若發生此等級的浪湧，設備將不受影響。然而這些電壓水平已超出標準容差範圍，長期暴露於此強度下，足以導致設備永久性損壞。.
常見迷思：
一般而言，我們認為無需設置SPD，因我們已具備多項（其他現有）保護措施，即：. 外部避雷器、微斷/磁斷、良好接地、接地連通、屏蔽、隔離變壓器、不斷電系統、本安型隔離器、隔離器。.
遺憾的是，所有這些設備的目的完全不同，並非為了保護設備免受瞬態浪湧的影響。讓我們分析每種設備的適用範圍。.
- 外部防雷裝置，具備良好接地 是為了保護建築物免受直接雷擊。.
- MCB (微型斷路器) 或 MCCB (塑殼斷路器) 此設計旨在保護設備免受工頻故障電流流動造成的短路損壞。微型斷路器（MCB）或模塊化斷路器（MCCB）的動作時間僅為毫秒級，這意味著在斷路器偵測到浪湧電流前，浪湧已通過設備並造成損壞。.
- 接地 既是為了人員安全，也是為了設備安全。.
- 黏合 是為了降低大地電阻並維持等電位。.
- 屏蔽 此舉旨在保護設備免受無線電頻干擾/電磁干擾的影響。.
- 隔離變壓器 主要用於保護設備免受一次側故障的影響。例如，當一次側發生短路時，若設備是透過隔離變壓器連接至二次側，則不會受到影響。.
- UPS（不斷電系統） 正如其名所示，此類裝置用於在市電故障時透過電池提供持續供電，或將電壓調節至窄範圍內。.
- 本質安全型隔離器或隔離裝置 用於危險工廠區域（例如煉油廠、石化廠、化肥廠等），將電能限制在極低水平，即使發生短路，可用功率也過低而無法引發火花或火災。.
因此，浪湧保護器是保護數控機床免受瞬態浪湧侵害的唯一防護裝置。現在，我們可以探討如何正確選型與安裝浪湧保護器，以確保數控機床的無故障運行。.
根據數控機床的進線電源類型（即三相帶中性線或不帶中性線），應安裝帶有無電位接點的浪湧保護器（SPD），並配備熱斷路器（含基座元件及可插拔式避雷器），將其連接於相線與中性線之間（三相電源需配置3組）以及中性線與保護接地之間。 三相電源（L-N）、（N-E）之SPD應安裝於主配電盤、分電盤或分支配電盤，需具備：- L-N路徑：1組MOV（帶275V MCOV以應對電源波動）- N-E路徑：1組火花隙防護等級需符合IEC 61643-11規範之I+II類要求。此為第一道防護層級。.
若MMI需配備24V直流電源供應器或具備數位輸入/輸出功能的可編程邏輯控制器，除在主配電盤安裝一級與二級防雷器外，還須選用適用的浪湧保護器。.
我們將需要浪湧保護的機器列舉如下：
| 機器類型 | |
| 機床： | 金屬切削金屬成形 |
| 塑膠機械： | 注塑成型機擠出機械吹塑成型機專用加工機恆溫成型機粉碎設備 |
| 木工機械： | 木工機械貼合機械鋸木廠機械 |
| 物料搬運機械： | 工業機器人轉移機分揀機 |
| 檢測/測試機器： | 坐標測量機製程檢測儀器 |
| 包裝機械： | 紙箱捆紮機桶裝灌裝機棧板堆疊機 |
CNC電湧保護與電源濾波
對電腦數值控制（CNC）設備而言，浪湧保護與防雷措施至關重要，能有效守護這些精密昂貴的機器免受瞬變與浪湧的破壞性影響。 CNC機械設備涵蓋車床、銑床、雷射系統乃至3D列印機等廣泛領域，在現代製造流程中扮演關鍵角色。此類設備易受電壓波動、瞬態尖峰及電湧影響，這些異常現象可能源自雷擊、電網波動或設備切換等多元因素。.
為CNC機台加裝突波保護裝置的重要性
實施突波保護有助於保護CNC機台免受電壓異常影響，防止可能導致停機、材料損失及後續財務損失的災難性損害。突波事件可能中斷運作、降低機台的精準度與精度、引發故障與死機，甚至造成不可逆的損壞，迫使企業進行昂貴的維修或更換。.
變頻驅動器的浪湧保護
突波保護裝置 可用於協助保護變頻驅動器免受電壓瞬變、尖峰及電力突波的影響，這些現象通常由雷擊所引發。.
變頻驅動器（VFD）
變頻驅動器（VFD），亦稱為變速驅動器（VSD），是任何電氣設備中移動部件的核心組件。.
此裝置能控制幾乎所有電動機的速度，否則這些電機將始終維持恆定轉速。其運作原理是透過調整輸送至電動機的輸出頻率來實現。.
變頻驅動器廣泛應用於多種設備：泵浦控制面板、暖通空調壓縮機、輸送機、CNC機床、鼓風機、工具機調速系統等。因此，其應用遍及多個產業領域，例如水處理與廢水處理、石油與天然氣，以及工業機械設備。.
變頻器浪湧保護
變頻器通常由整流器、直流母線、逆變器及控制電子元件組成（圖1）。.
圖1 – 頻率轉換器基本原理
在逆變器輸入端，單相交流電壓或三相線間交流電壓被轉換為脈動直流電壓，並輸送至直流母線系統。該母線系統同時兼具能量儲存裝置（緩衝器）的功能。.
直流鏈路中的電容器及主電源濾波器內接地的LC元件，可能導致上游剩餘電流保護裝置（RCD）發生故障。此類問題常被錯誤歸咎於避雷器。 然而，其真正成因在於變頻器產生的短時故障電流強度足以觸發高靈敏度RCD。可透過採用防浪湧型RCD斷路器避免此現象，該類斷路器具備3kA（8/20微秒）及更高放電容量，適用於觸發電流I∆n = 30 毫安。.
逆變器透過控制電子元件提供脈衝輸出電壓。控制電子元件用於脈寬調變的脈衝頻率越高，輸出電壓就越接近正弦曲線。然而，每次脈衝都會產生疊加在基波上的電壓尖峰，此尖峰值可達1200伏特以上（視變頻器而定）。 正弦曲線模擬精度越高，電機的運行與控制性能便越優異。但這也意味著變頻器輸出端將更頻繁地出現電壓尖峰。.
為選用適合變頻器的正確避雷器，必須考量最大連續工作電壓Uc——此參數規定了避雷裝置所能承受的最高工作電壓。由於變頻器運行時會產生電壓尖峰，必須選用Uc值較高的避雷器，以避免在「正常」工作條件下因避雷器發熱及相關電壓尖峰導致的「人工老化」現象。.
避雷器的加熱可能導致其使用壽命縮短，並使避雷器與其應保護的裝置分離。.
圖 2 – 電機饋線電纜的電磁相容性兼容屏蔽連接
頻率轉換器輸出端的高脈衝頻率會產生磁場干擾。為避免干擾其他系統，必須對馬達饋電纜進行屏蔽處理。馬達饋電纜的屏蔽層須在兩端接地，即分別連接於頻率轉換器端與馬達端。.
為此，必須確保與屏蔽層的大面積接觸，最好採用恆力彈簧（圖2）以滿足電磁相容性要求。互連接地系統——即變頻器接地系統與驅動電機接地系統的連接——可降低裝置不同部分間的電位差，從而防止均衡電流通過屏蔽層流動。.
在將頻率轉換器整合至建築自動化系統時，所有評估與通訊介面均須透過浪湧保護裝置防護，以防止因浪湧導致的系統故障。圖3展示了控制器介面4–20 mA的實例。.
圖3 – 頻率轉換器與驅動裝置位於低壓保護區0A 以及 LPZ 1
推薦用於數控銑床的標準加工參數
過電壓保護的一般原則
過電壓可分為長期性、暫時性或僅為短暫瞬變（浪湧）。浪湧或尖峰是一種短期高電壓，通常遠高於額定電壓的110%。瞬變過電壓可能源自大氣現象（如雷擊）或電網中的開關瞬變。採用避雷器是防範瞬變過電壓的常見且有效保護措施。.
這些裝置的阻抗會隨施加電壓呈現高度非線性變化。在正常運作狀態（低於閾值電壓時），避雷器的阻抗極高，僅有微不足道的漏電流流經裝置。當電壓超過閾值時，阻抗會急遽下降，避雷器隨即為浪涌電流開闢導流路徑。避雷器通常應用於相間接地、相間連接，或兩者並用的組合配置。.
圖4 – 安裝於相對地與相間的避雷器.webp
其拼寫可為「避雷器」或「避雷裝置」。另一種稱謂為「浪湧保護裝置」（SPD）。.
浪湧保護器是否適用於保護由變頻驅動器供電的電機？
避雷器通常用於保護電氣設備免受過高電壓的損害。與此同時，許多電壓源逆變器會產生非正弦波電壓，這會對電機絕緣造成壓力。因此，我們不禁要問：避雷器是否適合作為保護由變頻驅動器供電的電機的防護手段？
簡短的回答是「不」。大多數配備電壓源逆變器的驅動系統並不會因安裝浪湧保護器而受益。相反地，安裝浪湧保護器反而可能導致
圖5 – 浪湧保護器是否適用於保護由變頻驅動器供電的電機
使用浪湧保護裝置（SPD）保護變頻驅動器
在當今快節奏的商業世界中，精密且極易受損的微處理器電子設備與數據通訊網絡已全面整合於各個領域。保護這些關鍵任務系統免受浪湧、尖峰電流及瞬態電壓的損害，能有效避免設備毀損、服務中斷及高昂的停機成本。如何正確配置這些浪湧保護裝置（SPD），其重要性不亞於實際採購決策本身。.
總體而言，正確安裝的浪湧保護裝置能降低隨機性、高能量、短暫性電力異常事件的強度。此類異常通常由大氣現象（如雷擊）、電網切換、感性負載以及內部產生的過電壓所引發。.
驅動器的保護
各類驅動裝置用於控制電機的應用已相當普遍。驅動裝置的設計目的在於提升效率或管理受控電機的轉速。透過多種處理流程與控制機制，驅動裝置通常會重塑正弦波形，為電機提供能提升效率的信號，或透過變頻控制信號頻率來調節電機轉速。.
由於驅動器的運作，電力環境的供電品質可能受到影響。換言之，驅動器可能在系統上產生電壓突波與諧波。.
在驅動系統中應用突波保護裝置（SPD），以減輕因電壓突波可能造成的損害，同時考量諧波效應對突波保護裝置的影響。.
SPD在驅動系統中的應用
為協助說明SPD在驅動系統中的應用，請參閱圖示。此圖展示典型的驅動佈局。輸入電源通常採用三角形連接（三相與接地）。.
輸入電壓通常為480伏特，但亦可採用其他電壓值。輸入電源通常會降壓至較低電壓（典型值為120伏特交流電），以供控制電路使用。控制電路內含精密電子元件。當驅動器對電源進行處理後，輸出電力將傳送至馬達。.
如前所述，保護典型驅動系統共有五個關鍵環節——每個環節均以圓圈標註的數字標示，並於下文詳述。.
- 驅動輸入
保護驅動器輸入端是維護驅動系統的重要環節。此處的防護措施能有效抵禦以下三類衝擊損壞：由上游電源引發的電路系統傳導事件、外部事件（如雷擊）及公用事業產生的開關衝擊浪湧，以及同一系統中多台驅動器相互作用所造成的損害。.
在此位置，應採用並聯連接的電壓響應型電路裝置——即不含頻率響應電路的裝置。由於此處通常更易受脈衝瞬變影響而非環波瞬變，故不建議在此位置使用頻率響應電路。.
- 逆變器輸入
逆變器輸入端是驅動器本身最敏感且關鍵的區域之一。此處必須格外謹慎並進行適當的檢測。若您已確認未在該驅動器內加裝額外電容器以抑制諧波電流，則可安裝並聯連接的頻率響應電路裝置。.
若已安裝附加電容器，此處應配置並聯連接的電壓響應型電路裝置——且該裝置不得具備頻率響應功能。由於高諧波含量導致需加裝電容器，故不建議在此位置使用頻率響應電路裝置。若在此處安裝頻率響應型電路裝置，將導致浪湧保護器失效。.
- 控制電路
控制電路內含敏感電子元件，可能因驅動器產生的環境或外部來源的突波而受損。此處的防護措施至關重要。.
由於降壓變壓器將此電路隔離並供電予敏感電子元件，建議在此位置安裝串聯連接的SPD（浪湧保護器），並配備頻率響應電路。.
- 驅動輸出
當驅動器與馬達之間的連接長度超過50英尺（15公尺），或連接線路沿著外牆或戶外佈設時，建議保護直接驅動輸出。.
當驅動器與馬達間的連接線路過長時，需在驅動器輸出端立即實施保護措施，其原因之一在於：當驅動器輸出端發出的訊號（通常為高頻訊號）傳至馬達後，可能在驅動器與馬達之間產生往返反射。此現象會形成「電壓疊加」——反射電壓將疊加於額定電壓及其他反射波之上。浪湧保護器（SPD）能有效降低反射波所產生的電壓尖峰。.
長距離線路及沿外牆或門口佈線的線路可能產生反射波。當輸出驅動器的訊號（通常為較高頻率）傳至母線後，便會在驅動器與馬達之間來回反射。此現象會形成「電壓堆疊」效應——反射電壓會疊加於額定電壓及其他反射波之上。浪湧保護器（SPD）能有效降低反射波的電壓尖峰值。.
更重要的是，若驅動器與馬達的連接線路延伸至戶外，且途經暴露於環境中的路徑或緊鄰建築鋼結構，則此處的防護至關重要，以減輕直接雷擊或鄰近雷擊所引發的感應電壓突波影響。即使馬達輸入端已設置防護措施，這些突波仍可能對驅動器造成損壞。.
在此位置，應採用並聯連接的電壓響應型電路裝置——且不包含頻率響應電路。由於驅動器正常運作會產生高諧波含量的信號，故不建議在此位置安裝頻率響應電路裝置。若在此位置安裝頻率響應型電路裝置，將導致浪湧保護器失效。採用電壓響應型電路裝置可徹底消除此風險。.
- 馬達輸入
保護馬達輸入端是防護驅動系統的關鍵步驟。在此位置設置保護措施，可防止驅動輸出端傳導至馬達輸入端的突波造成損壞。此處的防護有助延長馬達壽命，因突波保護裝置能有效避免突波對馬達繞組與軸承造成的損害。.
此外，若驅動器與馬達之間的連接線路延伸至戶外，且途經暴露於環境中的路徑或緊鄰建築鋼結構，則該處的防護措施至關重要，以減輕直接雷擊或因鄰近雷擊所誘發的電壓突波影響。即使驅動器輸出端已設置防護裝置，此類突波仍可能對馬達造成損壞。.
在此位置，應採用並聯連接、具備電壓響應功能且不含頻率響應電路的電路裝置。由於驅動器正常運作會產生高諧波含量的訊號，故不建議在此位置安裝頻率響應電路裝置。若在此位置安裝頻率響應電路裝置，將導致浪湧保護器失效。採用具備電壓響應功能的電路裝置可徹底避免此風險。.
變頻驅動器（VFD）中的過電壓與突波保護
與其他電力系統相同，變頻驅動系統需具備防浪湧及過電壓瞬變保護功能。此類浪湧可能源自電網端，亦可能由驅動器本身產生。.
通常，來自電力系統的浪湧發生頻率較低，但具有更高的能量與振幅。這些浪湧可能是雷擊浪湧，或是電力系統的切換浪湧。.
除了上述突波外，變流器/逆變器的運作亦可能產生過電壓，對敏感電子電路造成損害。有效的驅動系統突波防護措施應同時保護電力電子開關元件、控制電路及馬達。.
在典型的驅動系統中，有五個位置需安裝浪湧保護裝置，如圖6所示。.
圖6 – 這些位置使用的SPD可能配備保護裝置
這些地點使用的浪湧保護器（SPD）可能採用不同技術的保護裝置。在商用產品中，部分浪湧保護器可能與其他產品整合，例如濾波器，以提供對劣質電源品質或高諧波失真的防護。.
所有應用程式
| 進階隨機旋轉刀具（含凸輪混合功能） | 空氣壓縮機 |
| 泡罩包裝熱成型機 | 裝盒機 |
| 離心機 | 輸送機 |
| 起重機／吊車 | 測力計 |
| 電梯與自動扶梯 | 擠壓成型 |
| 風扇／鼓風機 | 按長度餵入 |
| 通用機械 | 暖通空調 |
| 灌溉 | 標籤機 |
| 洗衣 | 線性飛剪機 |
| 工具機 | 攪拌機 |
| 包裝 | 堆垛機 |
| 精密研磨 | 泵 |
| 沖床 | 旋轉刀具 |
| 旋轉式鋪料機 | 螺旋送料機 |
| 旋轉台分度器 | 同步帶 |
| 紡織品 | 蜿蜒 |
