陳樹君，韋婉琰，于 洋，王海亮，蒙丹陽，劉 進(jìn)

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

焊接設(shè)備

三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)研制

陳樹君，韋婉琰，于 洋，王海亮，蒙丹陽，劉 進(jìn)

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

我國弧焊設(shè)備電磁兼容性要求國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15579.10自2009年開始強(qiáng)制執(zhí)行，因此急需研發(fā)針對弧焊設(shè)備的電磁兼容測試設(shè)備。以電焊機(jī)電磁兼容問題之一的電壓暫降抗擾度問題為研究基礎(chǔ)，開發(fā)了應(yīng)用于電焊機(jī)的三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為控制核心，以WEINVIEW MT506觸摸屏為人機(jī)交互操作界面，由相序調(diào)整單元、接觸器保護(hù)單元、暫降發(fā)生單元和暫降程控單元組成，通過觸摸屏進(jìn)行試驗(yàn)方式和參數(shù)的設(shè)置，可以依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單相弧焊設(shè)備電壓暫降和三相弧焊設(shè)備電壓暫降的抗擾度試驗(yàn)，也可以自定義參數(shù)進(jìn)行特定的電壓暫降抗擾度測試。

電磁兼容；電壓暫降；相序調(diào)整

0 前言

一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾稱為該電子系統(tǒng)與其環(huán)境電磁兼容。它要求設(shè)備應(yīng)該與其周圍環(huán)境保持和諧關(guān)系，正常運(yùn)行。在電焊機(jī)行業(yè)，電磁兼容問題越來越受到重視，我國國標(biāo)委于2008年制定了我國電焊機(jī)行業(yè)電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)GB15579.10 -2008[1]，并于2009年底強(qiáng)制執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行要求電焊機(jī)生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)過程中考慮并解決產(chǎn)品的電磁兼容性問題。

在電磁兼容系列問題中，電氣設(shè)備工作時會受到供電電源電壓暫降、短時中斷的影響，以上影響稱為電壓暫降[2]。電壓暫降的形成受多方面因素影響，常見的影響因素包括電網(wǎng)中偶然產(chǎn)生的短路、接地故障、驟然變化的大負(fù)荷等，造成的惡劣影響可能導(dǎo)致電氣設(shè)備工作不正常或損壞、接觸器異常跳閘、逆變器轉(zhuǎn)換失敗。

國家標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行使電焊機(jī)行業(yè)針對電焊機(jī)電磁兼容測試設(shè)備的需求增加。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場上國產(chǎn)測試設(shè)備測試容量不能滿足大功率弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗(yàn)的測試要求，進(jìn)口設(shè)備測量容量較大但價格昂貴，且缺少針對弧焊設(shè)備開機(jī)沖擊大電流問題的處理。因此，研制一套針對三相大功率弧焊設(shè)備的電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)不僅能打破國外電磁兼容測試設(shè)備生產(chǎn)商對大功率測試市場的壟斷，填補(bǔ)國內(nèi)空白，同時對推廣弧焊設(shè)備電壓暫降電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，提升國產(chǎn)弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾能力和市場競爭力，推動焊接行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重大意義[3-5]。

1 三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15579.10《弧焊設(shè)備 第10部分：電磁兼容性(EMC)要求》和GB／T 17626.11《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾性試驗(yàn)》[6]對電壓暫降發(fā)生器的要求，調(diào)研參考各種電壓暫降發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，通過PSIM電路仿真軟件對主電路設(shè)計(jì)進(jìn)行電路仿真和改進(jìn)?？紤]到焊接電源既可能是容性負(fù)載(逆變類焊接電源)，也可能是感性負(fù)載(晶閘管整流類焊接電源)，充分考慮到焊接電源頻繁起動的焊接實(shí)況，吸收了課題前期研究的單相電壓暫降抗擾度測試硬件平臺對阻性負(fù)載的成功測試而對電焊機(jī)測試的失敗教訓(xùn)[5]，最后確定了三相大功率電壓暫降抗擾度預(yù)相容測試設(shè)備的基本設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。測試設(shè)備輸入部分采用調(diào)壓器做電壓暫降的低壓源，用AC SOURCE表示，模擬待測設(shè)備承受電壓暫降時的狀態(tài)，采用市電做正常工作電壓源，用MAINS表示，模擬待測設(shè)備正常工作時的狀態(tài)，通過開關(guān)組1～6的切換，使待測設(shè)備由MAINS和AC SOURCE交替供電；在同一時刻，待測設(shè)備只能由其中一個供電源供電，相對應(yīng)相序的開關(guān)管(具對應(yīng)相序的開關(guān)組體指開關(guān)組1和4，開關(guān)組2和5，開關(guān)組3和6)驅(qū)動信號完全互補(bǔ)，通過這種高、低壓交替供電模式，實(shí)現(xiàn)電壓暫降。

圖1 電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)工作過程共分為四個階段，如圖2所示。示例是從0°相位時開始進(jìn)行電壓暫降，暫降幅度為暫降至40%UT(UT為待測設(shè)備額定工作電壓)，暫降時間為三個周期，暫降后休息時間60 ms。

圖2 工作過程示意

階段一：當(dāng)測試設(shè)備開機(jī)時，接觸器K1、K2、K3導(dǎo)通。此時待測設(shè)備就是焊機(jī)由MAINS供電，這時可以打開焊機(jī)，開機(jī)大電流從開機(jī)保護(hù)電路流過，保護(hù)了測試設(shè)備內(nèi)部的功率開關(guān)組。

階段二：準(zhǔn)備測試時，接觸器K1、K3導(dǎo)通，接觸器K2關(guān)斷，開關(guān)組1、2、3導(dǎo)通，此時待測設(shè)備是由MAINS供電，但此時MAINS一路的功率開關(guān)組已經(jīng)避開了開機(jī)的大電流沖擊，接觸器的狀態(tài)將一直保持直到測試急?；驕y試結(jié)束。

階段三：開始測試時，由單片機(jī)控制到達(dá)設(shè)置暫降初始相位，此處舉例以0°為暫降初始相位，雙向電子開關(guān)組4、5、6導(dǎo)通，開關(guān)組1、2、3關(guān)斷，此時待測設(shè)備由AC SOURCE供電，對待測設(shè)備實(shí)現(xiàn)供電電壓暫降。

階段四：當(dāng)暫降時間到達(dá)設(shè)置的暫降時間時，此處舉例為三個周期，開關(guān)組4、5、6斷開，開關(guān)組1、2、3導(dǎo)通，此時待測設(shè)備由MAINS供電，待測設(shè)備的供電從電壓暫降恢復(fù)為正常供電。

其中階段三和階段四是一個暫降過程，在實(shí)驗(yàn)過程中可以通過軟件設(shè)置進(jìn)行多次暫降。

雙向電子開關(guān)組是測試設(shè)備的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)如圖3所示。將IGBT接在一個由VD1、VD2、VD3、VD4組成的整流橋的直流輸出端，整流橋直流輸出端的正極與IGBT的集電極相連，負(fù)極與IGBT的發(fā)射極相連，整流橋的交流輸入端作為雙向功率開關(guān)模塊的兩個接線端A端和B端。當(dāng)電流為正向時，電流流向是從A端→VD1→IGBT→VD4→B端，當(dāng)電流為反向時，電流流向是從B端→VD3→IGBT→VD2→A端，由此實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動，滿足測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求。

圖3 雙向功率開關(guān)組設(shè)計(jì)

三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)由相序調(diào)整單元、接觸器保護(hù)單元、暫降發(fā)生單元及暫降程控單元組成，系統(tǒng)框圖如圖4所示。相序調(diào)整單元實(shí)現(xiàn)當(dāng)MAINS和AC SOURCE輸入相序不對應(yīng)時自動調(diào)整相序的功能，以保證在測試設(shè)備上輸出正確的暫降波形。接觸器保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)開機(jī)瞬間弧焊設(shè)備沖擊電流流過接觸器K2，保護(hù)測試系統(tǒng)內(nèi)部IGBT的功能。暫降發(fā)生單元通過雙向功率電子開關(guān)的交替導(dǎo)通和判斷，實(shí)現(xiàn)電壓暫降的功能。暫降程控單元實(shí)現(xiàn)通過觸摸屏設(shè)定，控制測試系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)電壓暫降試驗(yàn)的功能。

2 三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)控制板為控制核心，以WEINVIEW的MT506TV觸摸屏為人機(jī)交互操作界面，通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與觸摸屏之間的互相通信。

圖4 三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)框圖

2.1 觸摸屏人機(jī)交互操作界面設(shè)計(jì)

由于觸摸屏本身兼具讀和寫，即圖像顯示和參數(shù)輸入兩個功能，可以用來取代機(jī)械式的按鈕面板，并通過液晶顯示畫面制造出生動的視覺效果，是人機(jī)交互操作界面設(shè)計(jì)的最佳選擇。通過WEINVIEW專用開發(fā)軟件Easy Builder 500，能夠方便地進(jìn)行多頁面的人機(jī)交互界面程序的編寫。測試系統(tǒng)的人機(jī)交互操作界面共分為七個頁面，觸摸屏頁面設(shè)計(jì)示意如圖5所示，自定義參數(shù)頁面如圖6所示。通過人機(jī)交互操作界面能夠進(jìn)行不同測試模式的選擇，包括：模式一——依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對單相弧焊設(shè)備進(jìn)行電壓暫降試驗(yàn)；模式二——國家標(biāo)準(zhǔn)對三相弧焊設(shè)備進(jìn)行電壓暫降試驗(yàn)；模式三——自定義參數(shù)進(jìn)行電壓暫降試驗(yàn)。自定義參數(shù)能夠?qū)航禃r間、暫降初始角度、暫降間隔時間、暫降次數(shù)、暫降發(fā)生的相等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并通過開始試驗(yàn)鍵控制測試系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定的試驗(yàn)。

2.2 電壓暫降程序設(shè)計(jì)

電壓暫降的軟件設(shè)計(jì)選用MSP430F449單片機(jī)為核心，通過配套開發(fā)軟件IAR Embedded Workbench進(jìn)行編程、調(diào)試。電壓暫降軟件設(shè)計(jì)的原理是通過主程序循環(huán)，使單片機(jī)與觸摸屏不斷進(jìn)行通信，接收操作人員通過觸摸屏按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，暫降發(fā)生程序框圖如圖7所示。電壓暫降程序通過P2口、定時器A和定時器B的中斷及計(jì)時功能來實(shí)現(xiàn)，利用P2口的中斷做為電壓暫降0°相位的定位，利用定時器A做為暫降初始相位角度的計(jì)時器，定時器B做為暫降時間和暫降間隔的計(jì)時器，共同完成一個完整的電壓暫降過程。

圖5 觸摸屏頁面設(shè)計(jì)示意

圖6 自定義參數(shù)頁面

3 三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn)

圖7 暫降發(fā)生程序框圖

根據(jù)GB 15579.10規(guī)定，弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗(yàn)分為兩個試驗(yàn)等級和相應(yīng)的兩類判據(jù)。第一個試驗(yàn)等級是電壓減少30%，即暫降電壓為70% UT，暫降起始角度0°，暫降時間為半個周期即10 ms，試驗(yàn)次數(shù)為三次，每兩次電壓暫降試驗(yàn)間隔10 s，在試驗(yàn)過程中觀察弧焊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，依照判據(jù)B判斷該弧焊設(shè)備是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；第二個試驗(yàn)等級是電壓減少60%，即暫降電壓為40%UT，暫降起始角度0°，暫降時間為五個周期即100 ms，試驗(yàn)次數(shù)為三次，每兩次電壓暫降試驗(yàn)間隔10 s，在試驗(yàn)過程中觀察弧焊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，依照判據(jù)C判斷該弧焊設(shè)備是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。注意：B類判據(jù)是指允許焊接電流、送絲速度和行走速度在+50%～-100%之內(nèi)變化，實(shí)際使用時可能導(dǎo)致電弧熄滅，在這種情況下采用常規(guī)方法再引燃電弧?？梢杂锰峁┑恼ｉ_關(guān)來終止輸出，比如MIG／MAG焊槍上的開關(guān)。試驗(yàn)完后所有的輸出應(yīng)恢復(fù)至原始設(shè)置。在任何情況下，空載電壓都不能超過IEC 60974-1所規(guī)定的電壓。C類判據(jù)是指允許功能有暫時的失效，這時要求手動重新起動焊接設(shè)備。除非能再保存，否則存儲的數(shù)據(jù)不允許丟失。在任何情況下，空載電壓都不能超過IEC 60974-1所規(guī)定的電壓[1，6]。

利用三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)對單相、三相電焊機(jī)進(jìn)行電壓暫降抗擾度測試，檢測測試系統(tǒng)的測試功能。選擇上海滬工的ZX7-200逆變式直流弧焊機(jī)做為單相電壓暫降抗擾度測試的試驗(yàn)樣機(jī)，選擇福尼斯的VR 7000 CMT做為三相電壓暫降抗擾度測試的試驗(yàn)樣機(jī)，單相弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗(yàn)測試現(xiàn)場如圖8所示。由于測試系統(tǒng)中內(nèi)置了按照國家標(biāo)準(zhǔn)對弧焊設(shè)備進(jìn)行電壓暫降抗擾度試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)，只需通過觸摸屏選擇相應(yīng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，按下開始試驗(yàn)鍵即能自動進(jìn)行相應(yīng)電壓暫降試驗(yàn)。單相電壓暫降抗擾度試驗(yàn)電壓減少60%試驗(yàn)等級時測試系統(tǒng)輸出波形如圖9所示，三相電壓暫降抗擾度試驗(yàn)時僅對A相進(jìn)行電壓減少30%試驗(yàn)等級時測試系統(tǒng)輸出波形如圖10所示。通過試驗(yàn)證明，測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行符合國家標(biāo)準(zhǔn)的單相、三相針對弧焊設(shè)備的電壓暫降抗擾度試驗(yàn)；試驗(yàn)中觀察電焊機(jī)的狀態(tài)，并無異常情況出現(xiàn)，符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)中判據(jù)的規(guī)定，說明試驗(yàn)焊機(jī)的電壓暫降抗擾度性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 單相弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗(yàn)測試現(xiàn)場

圖9 模式一試驗(yàn)波形舉例

在負(fù)載為100 Ω阻性負(fù)載時進(jìn)行模式三自定義參數(shù)的電壓暫降抗擾度試驗(yàn)，通過觸摸屏選擇模式三自定義參數(shù)試驗(yàn)，將測試參數(shù)設(shè)置為從240°開始暫降，暫降時間100 ms，暫降間隔時間1 s，暫降次數(shù)10次，測試系統(tǒng)輸出波形如圖11、圖12所示。由圖可知，樣機(jī)能夠在阻性負(fù)載進(jìn)行電壓暫降抗擾度試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)模式三自定義參數(shù)的電壓暫降試驗(yàn)的功能，且角度誤差在±1°以內(nèi)，暫降過程中過沖電壓較小，電壓突變時間較短，測試容量為40 kVA，最大相電流60 A，符合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖10 模式二試驗(yàn)波形舉例

圖11 模式三試驗(yàn)波形舉例

圖12 模式三試驗(yàn)波形舉例放大

4 結(jié)論

針對電焊機(jī)行業(yè)的電磁兼容問題特別是電壓暫降抗擾度問題的現(xiàn)狀、電磁兼容測試設(shè)備的市場需求以及電焊機(jī)開機(jī)沖擊電流較大的特殊性，開發(fā)了三相大功率電壓暫降測試系統(tǒng)，可對阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載進(jìn)行電壓暫降抗擾度試驗(yàn)。通過研究得出以下結(jié)論：

(1)針對電焊機(jī)開機(jī)瞬間出現(xiàn)的沖擊大電流，設(shè)計(jì)了專用于弧焊設(shè)備的帶接觸器保護(hù)電路的三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三相電壓暫降抗擾度測試的功能，避免弧焊設(shè)備在開機(jī)瞬間大的沖擊電流損壞測試設(shè)備。

(2)設(shè)計(jì)了三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)的軟件控制部分和人機(jī)交互界面。通過軟件設(shè)計(jì)，使三相電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的弧焊設(shè)備單相、三相電壓暫降抗擾度試驗(yàn)和自定義參數(shù)電壓暫降抗擾度試驗(yàn)。

(3)完成了三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)開發(fā)，該測試系統(tǒng)能夠?qū)ψ栊载?fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載(負(fù)載主要針對弧焊設(shè)備)進(jìn)行電壓暫降抗擾度試驗(yàn)，測試容量40 kVA，測試系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合GB／T 17626.11的要求。

[1]弧焊設(shè)備第10部分：電磁兼容性(EMC)要求[S].GB 15579.10 -2008.

[2]全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3]陳樹君，杜 利，盧振洋，等.弧焊電源傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(10)：1044-1047.

[4]陳樹君，杜 利，殷樹言，等.弧焊電源電磁騷擾特性研究[J].電焊機(jī)，2007，37(2)：3-6.

[5]劉 進(jìn).電壓暫降抗擾性預(yù)相容測試設(shè)備研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2009.

[6]電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾性試驗(yàn)[S].GB／T 17626.11.

Research of three-phase voltage dips generator toward high-power equipment for immunity measurement

CHEN Shu-jun，WEI Wan-yan，YU Yang，WANG Hai-liang，MENG Dan-yang，LIU jin
(College of Mechanical Engineering＆Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

The strict national standard of the electromagnetic compatibility CEMC'toward the welding equipment named GB15579.10 had been carried out compulsively since 2009，so the development of EMC test machine for welding equipment is needed urgently.Based on voltage dip immunity problem which is one of the EMC problems in welding equipment，the paper developed a system which applied to three-phase voltage dips immunity test for high-power welding equipment.Test system controlled by MCU MSP430F449，using WENWIEW MT506TV touch screen as man-machine interface.System consists of sequence adjustment unit，contactor protection unit，dip occurred unit and dip program-controlled unit.The system's test mode and parameters can be set by the touch screen.So the system can accomplish single-phase voltage dip immunity test and three-phase voltage dip immunity test for welding equipment according to the national standards，what's more the system can manually set parameters to take a specific voltage dip immunity test.Key words：electromagnetic compatibility；voltage dip；sequence adjustment

TG434

A

1001-2303(2011)07-0001-06

2011-05-03

國家科技部資助項(xiàng)目(NCSTE-2006-JKZX-123)

陳樹君(1971—)，男，山東日照人，教授，博士，主要從事電力電子技術(shù)與電磁兼容性、特種焊接工藝及設(shè)備應(yīng)用方面的科研和教學(xué)工作。