陳樹君，韋婉琰，于 洋，王海亮，蒙丹陽，劉 進

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(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

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(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準GB 15579.10自2009年開始強制執(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單片機為控制核心，以WEINVIEW MT506觸摸屏為人機交互操作界面，由相序調(diào)整單元、接觸器保護單元、暫降發(fā)生單元和暫降程控單元組成，通過觸摸屏進行試驗方式和參數(shù)的設(shè)置，可以依據(jù)國家標準進行單相弧焊設(shè)備電壓暫降和三相弧焊設(shè)備電壓暫降的抗擾度試驗，也可以自定義參數(shù)進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，正常運行。在電焊機行業(yè)，電磁兼容問題越來越受到重視，我國國標委于2008年制定了我國電焊機行業(yè)電磁兼容國家標準GB15579.10 -2008[1]，并于2009年底強制執(zhí)行，標準的強制執(zhí)行要求電焊機生產(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。

國家標準的強制執(zhí)行使電焊機行業(yè)針對電焊機電磁兼容測試設(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的測試要求，進口設(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，填補國內(nèi)空白，同時對推廣弧焊設(shè)備電壓暫降電磁兼容標準，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

根據(jù)國家標準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》[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)計方案，通過PSIM電路仿真軟件對主電路設(shè)計進行電路仿真和改進?？紤]到焊接電源既可能是容性負載(逆變類焊接電源)，也可能是感性負載(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載的成功測試而對電焊機測試的失敗教訓(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，通過這種高、低壓交替供電模式，實現(xiàn)電壓暫降。

圖1 電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)設(shè)計方案

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)備開機時，接觸器K1、K2、K3導(dǎo)通。此時待測設(shè)備就是焊機由MAINS供電，這時可以打開焊機，開機大電流從開機保護電路流過，保護了測試設(shè)備內(nèi)部的功率開關(guān)組。

階段二：準備測試時，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，由單片機控制到達設(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)備實現(xiàn)供電電壓暫降。

階段四：當(dāng)暫降時間到達設(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，在實驗過程中可以通過軟件設(shè)置進行多次暫降。

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，由此實現(xiàn)電流的雙向流動，滿足測試系統(tǒng)硬件設(shè)計要求。

圖3 雙向功率開關(guān)組設(shè)計

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。接觸器保護單元實現(xiàn)開機瞬間弧焊設(shè)備沖擊電流流過接觸器K2，保護測試系統(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，實現(xiàn)電壓暫降的功能。暫降程控單元實現(xiàn)通過觸摸屏設(shè)定，控制測試系統(tǒng)進行相應(yīng)電壓暫降試驗的功能。

2 三相大功率電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

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單片機控制板為控制核心，以WEINVIEW的MT506TV觸摸屏為人機交互操作界面，通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)單片機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 觸摸屏人機交互操作界面設(shè)計

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，是人機交互操作界面設(shè)計的最佳選擇。通過WEINVIEW專用開發(fā)軟件Easy Builder 500，能夠方便地進行多頁面的人機交互界面程序的編寫。測試系統(tǒng)的人機交互操作界面共分為七個頁面，觸摸屏頁面設(shè)計示意如圖5所示，自定義參數(shù)頁面如圖6所示。通過人機交互操作界面能夠進行不同測試模式的選擇，包括：模式一——依據(jù)國家標準對單相弧焊設(shè)備進行電壓暫降試驗；模式二——國家標準對三相弧焊設(shè)備進行電壓暫降試驗；模式三——自定義參數(shù)進行電壓暫降試驗。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)進行設(shè)置，并通過開始試驗鍵控制測試系統(tǒng)進行相應(yīng)設(shè)定的試驗。

2.2 電壓暫降程序設(shè)計

電壓暫降的軟件設(shè)計選用MSP430F449單片機為核心，通過配套開發(fā)軟件IAR Embedded Workbench進行編程、調(diào)試。電壓暫降軟件設(shè)計的原理是通過主程序循環(huán)，使單片機與觸摸屏不斷進行通信，接收操作人員通過觸摸屏按照設(shè)定參數(shù)進行試驗，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的中斷及計時功能來實現(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時器，定時器B做為暫降時間和暫降間隔的計時器，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

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分為兩個試驗等級和相應(yīng)的兩類判據(jù)。第一個試驗等級是電壓減少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，試驗次數(shù)為三次，每兩次電壓暫降試驗間隔10 s，在試驗過程中觀察弧焊設(shè)備運行狀態(tài)，依照判據(jù)B判斷該弧焊設(shè)備是否符合國家標準的規(guī)定；第二個試驗等級是電壓減少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，試驗次數(shù)為三次，每兩次電壓暫降試驗間隔10 s，在試驗過程中觀察弧焊設(shè)備運行狀態(tài)，依照判據(jù)C判斷該弧焊設(shè)備是否符合國家標準的規(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、三相電焊機進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逆變式直流弧焊機做為單相電壓暫降抗擾度測試的試驗樣機，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樣機，單相弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗測試現(xiàn)場如圖8所示。由于測試系統(tǒng)中內(nèi)置了按照國家標準對弧焊設(shè)備進行電壓暫降抗擾度試驗的試驗參數(shù)，只需通過觸摸屏選擇相應(yīng)試驗?zāi)Ｊ剑聪麻_始試驗鍵即能自動進行相應(yīng)電壓暫降試驗。單相電壓暫降抗擾度試驗電壓減少60%試驗等級時測試系統(tǒng)輸出波形如圖9所示，三相電壓暫降抗擾度試驗時僅對A相進行電壓減少30%試驗等級時測試系統(tǒng)輸出波形如圖10所示。通過試驗證明，測試系統(tǒng)能夠進行符合國家標準的單相、三相針對弧焊設(shè)備的電壓暫降抗擾度試驗；試驗中觀察電焊機的狀態(tài)，并無異常情況出現(xiàn)，符合相應(yīng)國家標準中判據(jù)的規(guī)定，說明試驗焊機的電壓暫降抗擾度性能符合國家標準要求。

圖8 單相弧焊設(shè)備電壓暫降抗擾度試驗測試現(xiàn)場

圖9 模式一試驗波形舉例

在負載為100 Ω阻性負載時進行模式三自定義參數(shù)的電壓暫降抗擾度試驗，通過觸摸屏選擇模式三自定義參數(shù)試驗，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，樣機能夠在阻性負載進行電壓暫降抗擾度試驗，實現(xiàn)模式三自定義參數(shù)的電壓暫降試驗的功能，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)計要求。

圖10 模式二試驗波形舉例

圖11 模式三試驗波形舉例

圖12 模式三試驗波形舉例放大

4 結(jié)論

針對電焊機行業(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開機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)，可對阻性負載、容性負載和感性負載進行電壓暫降抗擾度試驗。通過研究得出以下結(jié)論：

(1)針對電焊機開機瞬間出現(xiàn)的沖擊大電流，設(shè)計了專用于弧焊設(shè)備的帶接觸器保護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)備在開機瞬間大的沖擊電流損壞測試設(shè)備。

(2)設(shè)計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交互界面。通過軟件設(shè)計，使三相電壓暫降抗擾度測試系統(tǒng)能夠進行符合國家標準規(guī)定的弧焊設(shè)備單相、三相電壓暫降抗擾度試驗和自定義參數(shù)電壓暫降抗擾度試驗。

(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栊载撦d、感性負載、容性負載(負載主要針對弧焊設(shè)備)進行電壓暫降抗擾度試驗，測試容量40 kVA，測試系統(tǒng)各項性能指標符合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]全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會.電磁兼容標準匯編[M].北京：中國標準出版社，2002.

[3]陳樹君，杜 利，盧振洋，等.弧焊電源傳導(dǎo)騷擾試驗研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，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，2007，37(2)：3-6.

[5]劉 進.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)機電學(xué)院，2009.

[6]電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾性試驗[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。