陳　凱，蘇　東，胡偉偉

（1.成都三方電氣有限公司，四川成都610052；2.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610052）

焊接電源接觸電流測試裝置的研發(fā)

陳凱1，蘇東1，胡偉偉2

（1.成都三方電氣有限公司，四川成都610052；2.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610052）

介紹一種焊接電源專用的接觸電流自動(dòng)測試裝置的工作原理。給出其原理分析、比對(duì)測試、硬件組成和軟件框圖。該測試裝置具有自動(dòng)化程度高、測試準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

焊接電源；接觸電流；測試裝置

0　前言

接觸電流是指當(dāng)人體或動(dòng)物接觸一個(gè)或多個(gè)裝置或設(shè)備的可觸及零部件時(shí)，流過其身體的電流（見IEV195-05-21）。具體到焊接電源系指焊接電源在施加的輸入電壓作用下，焊接電源中互相絕緣的金屬部件之間或帶電部件與接地之間，通過其周圍的介質(zhì)或絕緣表面而所形成的電流。該電流與焊接電源的結(jié)構(gòu)、材料、使用的環(huán)境條件及使用者本身的人體電阻有關(guān)。接觸電流如果超過一定限值，將威脅使用者的生命安全。因此國標(biāo)GB15579.1-2013《弧焊設(shè)備第1部分：焊接電源》將接觸電流的測試納入安全測試項(xiàng)目（第6.3.7條）。國標(biāo)GB15579.1-2013是等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60974-1：2005。符合標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)產(chǎn)品準(zhǔn)入市場的條件，等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)，不但能提高生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，更能在國際貿(mào)易中提升自身的競爭力。所以必須研發(fā)符合國標(biāo)GB15579.1-2013第6.3.7條接觸電流的測試儀器設(shè)備。

1　測試網(wǎng)絡(luò)[1-2]

GB12113-2003《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測量方法》和GB15579.1-2013《弧焊設(shè)備第1部分：焊接電源》對(duì)焊接電源接觸電流的測量方法以及接觸電流容許值作了明確規(guī)定[1-2]。對(duì)三相焊接電源接觸電流的測試在下述條件下進(jìn)行：輪流斷開三相焊接電源A、B、C三相電源及保護(hù)接地，在焊接電源外殼人體易接觸的金屬部件之間及人體易接觸的部件與地之間接入如圖1所示的模擬人體導(dǎo)電特性的阻容網(wǎng)絡(luò)，測量網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓值U2，并按式（1）換算成接觸電流值

圖1　三相焊接電源接觸電流的測試原理

在工作溫度下，單相、三相焊接電源和Ⅱ類電器的接觸電流測量線路各不相同。單相電源測量電路如圖2所示。三相電源測量電路如圖3所示。

圖2　單相電源測量電路

圖3　三相電源測量電路

2　幾種常見電焊機(jī)的初級(jí)泄漏電流波形

幾種常見電焊機(jī)的初級(jí)泄漏電流波形分析如圖4所示。

從以上泄漏電流波形看出，在正常工作狀態(tài)下，對(duì)于純交流焊機(jī)，其泄漏電流基頻為50 Hz，幾乎沒有諧波；單相IGBT直流焊機(jī)，在假空載的情況下，其泄漏電流基頻為50 Hz，疊加有最高2 kHz的諧波；三相IGBT直流焊機(jī)，其泄漏電流基頻為50 Hz，疊加有最高130 kHz的諧波。

圖4　常見電焊機(jī)的初級(jí)泄漏電流波形

上述三種焊機(jī)在空載下進(jìn)行初級(jí)泄漏電流的測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在工頻焊機(jī)（BX1-500）和空載逆變焊機(jī)（ZX7-200N）的測試中，某儀器、TPD系列測試裝置、228表以及示波器測試的數(shù)據(jù)比較接近，差異不大。對(duì)于IGBT的ZX7-1250焊機(jī)來說，某儀器和228表測量值與TPD系列和示波器測量值差異較大。究其原因[3]，某儀器和228表頻率測試范圍是工頻，當(dāng)被測試波形為諧波含量比較高、諧波幅值比較大的逆變焊機(jī)，測試結(jié)果與頻率測試范圍達(dá)到50 kHz的TPD系列測試裝置以及示波器出現(xiàn)很大的差異。這與儀器設(shè)計(jì)的頻響范圍以及適用的行業(yè)和產(chǎn)品不同有關(guān)。

3　測試設(shè)備現(xiàn)狀

接觸電流測試儀是安規(guī)測試設(shè)備的一種。市場上既有價(jià)格較高的包含多種測試網(wǎng)絡(luò)的接觸電流測試儀，也有滿足各自行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的接觸電流測試儀，還有如228表這種測試終端顯示表。

表1　三種焊機(jī)在空載下初級(jí)泄漏電流測試結(jié)果mA

量大面廣的測試儀器大多是針對(duì)工頻或者諧波含量比較小的設(shè)備，對(duì)于諧波含量比較高的逆變焊機(jī)，只適用于工頻電流的測試儀有相當(dāng)?shù)木窒扌浴?/p>

目前的逆變電源約占70％，其逆變主頻基本為20～100 kHz。大多數(shù)工頻接觸電流測試儀存在頻率響應(yīng)問題，是由其內(nèi)部信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)原理決定的。逆變電源逆變頻率較高，產(chǎn)生的接觸電流信號(hào)頻率也會(huì)含較多高頻率的諧波，因此儀表電路的頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)范圍越寬，信號(hào)被衰減濾除的部分越少，測試就越能反映信號(hào)的真實(shí)大小。而頻率響應(yīng)范圍越窄，則信號(hào)被過濾掉的成分越多，對(duì)信號(hào)的特定頻率選擇性就越強(qiáng)。

最重要的是測量泄漏電流峰值，如果測試儀器還按照工頻有效值乘以1.414的方式測量，則其測試值與真實(shí)值的差異就比較大。JJG843《泄漏電流測量儀檢定規(guī)程》中提出了頻率響應(yīng)范圍要求，通用測試儀為15 Hz～30 kHz[3]。

4　測試差異分析

對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出使用四種儀器對(duì)工頻焊機(jī)和主回路逆變電路沒有工作情況下的測試結(jié)果差異不大；而在對(duì)主回路逆變電路工作時(shí)的逆變焊機(jī)進(jìn)行測試時(shí)，228表和某型工頻泄漏電流測試裝置與測試范圍達(dá)50 kHz的TPD系列測試裝置及示波器測試結(jié)果差異較大。

很重要的一點(diǎn)是工頻初級(jí)泄漏電流儀是以工頻有效值作為測試基準(zhǔn)，再乘以1.414作為峰值泄漏電流（包括228表測試近似正弦電流），但從IGBT開通情況下的逆變焊機(jī)的泄漏電流波形看，除了基頻是50 Hz以外，還含有較多的高次諧波，這種含有諧波的波形峰值測試，如果使用工頻有效值乘以1.414的方法獲得泄漏電流峰值，顯然有問題。這也是導(dǎo)致TPD系列測試裝置及示波器測量值與228表和某工頻測試裝置數(shù)值差異的主要原因。

從上述數(shù)據(jù)可知，不同頻率響應(yīng)的初級(jí)測試裝置（表）測試出的峰值泄漏電流值有較大的差異。

因此，市場上普通的接觸電流測量儀不能完全滿足焊接電源行業(yè)的測試技術(shù)要求。還有一類測試儀功能齊全，頻響范圍寬，但是價(jià)格較貴，功能需求過剩。開發(fā)適合焊接電源行業(yè)的接觸電流測試裝置勢在必行。

5　接觸電流測試儀構(gòu)成及工作原理

接觸電流測試儀由單片機(jī)系統(tǒng)、阻容測量網(wǎng)絡(luò)、濾波與放大電路、精密整流電路、A/D轉(zhuǎn)換器及外圍接口電路等組成。接觸電流測試儀原理框圖如圖5所示。

圖5　接觸電流測試儀原理框圖

該測試儀器具有以下功能：三相、單相可選；根據(jù)操作者的選擇，輪流切斷A、B、C三相供電電源（對(duì)220 V單相焊機(jī)則相線自動(dòng)換相）；測試接觸電流并顯示。當(dāng)接觸電流超過給定限值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)；測試數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在外置U盤中；測試系統(tǒng)頻率響應(yīng)達(dá)50 kHz。

本測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是50 kHz整流電路（見圖6）和峰值采樣電路。

圖6　50kHz整流電路

50 kHz整流電路要求：選擇帶寬增益積高的運(yùn)放，一致性好；電阻的感抗小，二極管的頻響高。

峰保電路采用低泄漏電流、頻響高的云母電容，單片機(jī)系統(tǒng)A/D采樣頻率為200 kHz，軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、取舍，減少測量誤差。單片機(jī)系統(tǒng)采用硬件隔離，軟件冗余、WATCHDOG等措施保證測試系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾性。接觸電流測試裝置實(shí)際檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　接觸電流測試裝置實(shí)際檢定數(shù)據(jù)mA

6　結(jié)論

TPD系列接觸電流測試裝置已在電焊機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品測試中投入使用，實(shí)際使用表明，該測試裝置在測量精度和可靠性等方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。測試性能完全能替代昂貴的進(jìn)口儀器，比僅適用于工頻電流的初級(jí)泄漏電流測試儀性能更高，能夠滿足國標(biāo)GB15579.1-2013標(biāo)準(zhǔn)的測試要求。

[1]GB15579.1-2013.弧焊設(shè)備第1部分：焊接電源[S].

[2]GB12113-2003.接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測量方法[S].

[3]JJG843.泄漏電流測量儀檢定規(guī)程[S].

Development of measuring instrument on touch current for welding power source

CHEN Kai1，SUN Dong1，HU Weiwei2
（1.Chengdu Sanfang Electrical Co.，Ltd.，Chengdu 610052，China；2.School of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610052，China）

This paper introduces an automatic measuring instrument on touch current for welding power source,gives its principle analysis,comparison test,hardware and software.The instrument has advantages of high degree of automation,accurate test and convenient to use.

welding power source；touch current；measuring instrument

TG434

A

1001－2303（2016）04－0037-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.08

2015－12－20；

2016－02－03

陳凱（1970—），男，四川成都人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事電焊機(jī)檢測工作。