数控机床内部电压分类解说

在数控机床电气系统内，依据 IEC 60204-1 与 GB/T 5226.1-2019 对“电压功能组（functional voltage groups）”的分级原则，可将全部带电回路划分为以下七个层级。各层级在来源、能量大小、安全特低要求、电磁兼容（EMC）边界及物理隔离方式上均具有独立的设计规则，任何改造或故障排查必须首先确认所属电压层级，再执行对应的安全锁定（LOTO）与测试程序。

380 V/400 V 三相动力回路（AC 380 层级）
- 额定电压：3 AC 380 V (-15 % … +10 %, 50 Hz)
- 上游保护： molded-case circuit-breaker (MCCB) + 带灭弧的负荷开关，短路分断能力 ≥ 36 kA
- 主要负荷：主轴变频器、进给伺服整流单元、冷却泵、液压泵、排屑器电机
- 线缆要求：XLPE 绝缘，耐压 0.6/1 kV，黄-绿-红色标，截面积按 IEC 60364-5-52 载流量表选取，谐波畸变率 > 10 % 时需降额 0.8
- 安全要点：属于“危险电压（hazardous voltage）”，断电后须等待 ≥ 5 min 待直流母线泄放至 < 50 V 方可开盖
220 V/230 V 单相控制电源（AC 220 层级）
- 来源：系统隔离变压器 380 V/220 V（星-点引出）或直接从相-中性线取得
- 负荷：交流接触器线圈、柜内风扇、润滑电机、操作面板电源入口
- 绝缘等级：基本绝缘（basic insulation）即可，与 380 V 母线共用断路器时须加 2P 隔离断口
- 标准限值：稳态波动 ±10 %，瞬间跌落允许至 85 % UN 持续 20 ms
200 V 级伺服馈电回路（AC 200 层级，日系称“3 AC 200”）
- 来源：独立伺服变压器 380 V/200 V，△/△ 接线，短路阻抗 4 % … 6 %，用于限制短路电流
- 负荷：主轴/伺服驱动器三相整流桥，后续生成 DC 300 V 母线
- 电压窗口：±5 %（190 … 210 V）；失步报警阈值一般设在 190 V
- 谐波要求：THD-U ≤ 8 %，否则驱动器内置直流电抗器需投入
110 V 交流遗留回路（AC 110 层级）
- 仅见于早期配 CRT 或大型接触器线圈的设计；由 220 V/110 V 控制变压器次级提供
- 现行新机型已淘汰，改造时可整体迁移至 24 VDC 固态继电器方案，以降低绕组发热和噪声
24 V 直流控制母线（DC 24 V 层级，功能特低电压 FELV）
- 电源：冗余型 DIN 导轨开关电源，AC 220 V→DC 24 V，负载调整率 ≤ ±0.2 %，纹波峰-峰 < 200 mV
- 分区原则：依据 ISO 13849-1 将安全相关 24 V（急停、门锁、光栅）与信号 24 V（PLC I/O、继电器）物理分隔，采用独立馈线及返回线，避免单点短路导致安全功能共因失效
- 保护方式：
  - 一次侧：电子断路器（EBS）或特性曲线 C 的微型断路器
  - 二次侧：每条分支 ≤ 4 A，使用单路监控模块（SCS）实现回路故障自动诊断
- 电压窗口：22.4 … 26.4 V（IEC 61131-2 要求）；掉电保持时间 ≥ 20 ms，以满足 PLC “电源故障-保存-停机”序列
板级低电压（DC ±12 V、+5 V、+3.3 V 层级，SELV/PELV）
- 来源：DC-DC 降压模块（24 V→±12 V 或 24 V→5 V）及 LDO 链（5 V→3.3 V）
- 负荷：模拟量 I/O、D/A 转换器、CPU 内核、FPGA Bank、通信 PHY
- 稳压要求：±2 %（±12 V）、±1 %（+5 V）、±0.5 %（+3.3 V）；纹波峰-峰 < 50 mV（20 MHz 带宽）
- 保护：π 型滤波 + TVS 管二级防护，PCB 层叠提供独立回流地平面，与功率地单点连接
安全特低照明回路（SELV 24 V/12 V AC）
- 来源：隔离变压器 220 V/24 V，二次侧不接地，符合 SELV 要求（IEC 61140）
- 用途：电柜维修灯、工作灯、便携式维修插座
- 标识：紫-白双色护套，端子贴“SELV 24 V”警告标签，防止与 DC 24 V 混淆
- 安全限值：交流有效值 ≤ 25 V，短路电流 ≤ 3 A，无需附加接地保护导体

附加说明

隔离与分隔
- AC 380、AC 220、DC 24 V 之间应满足“双重或加强绝缘”要求；同一导轨布置时须用绝缘隔板或 ≥ 8 mm 空气间隙
- 安全 24 V 与信号 24 V 的 0 V 线仅在电源端单点等电位连接，避免环流
颜色与标签标准（依据 GB/T 7947-2010）
AC 380 L1/L2/L3 → 黄/绿/红
AC 220 L/N → 棕/蓝
DC 24 V +/– → 红/黑
SELV 24 V → 紫/白
PE → 黄绿双色
测试与验证
- 绝缘电阻：AC 380 对地 ≥ 50 MΩ（500 V 兆欧表），DC 24 V 对地 ≥ 10 MΩ（250 V 兆欧表）
- 接地连续性：PE 铜排任一点至总接地点电阻 ≤ 0.1 Ω（10 A，IEC 60204-1 18.2）
- 泄漏电流：整机 PE 导体电流 ≤ 3.5 mA；若 > 3.5 mA 须加辅助接地端子