三相大功率电压暂降抗扰度测试系统研制

陈树君，韦婉琰，于 洋，王海亮，蒙丹阳，刘 进

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京100124)

焊接设备

三相大功率电压暂降抗扰度测试系统研制

陈树君，韦婉琰，于 洋，王海亮，蒙丹阳，刘 进

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京100124)

我国弧焊设备电磁兼容性要求国家标准GB 15579.10自2009年开始强制执行，因此急需研发针对弧焊设备的电磁兼容测试设备。以电焊机电磁兼容问题之一的电压暂降抗扰度问题为研究基础，开发了应用于电焊机的三相大功率电压暂降抗扰度测试系统。测试系统以MSP430F449单片机为控制核心，以WEINVIEW MT506触摸屏为人机交互操作界面，由相序调整单元、接触器保护单元、暂降发生单元和暂降程控单元组成，通过触摸屏进行试验方式和参数的设置，可以依据国家标准进行单相弧焊设备电压暂降和三相弧焊设备电压暂降的抗扰度试验，也可以自定义参数进行特定的电压暂降抗扰度测试。

电磁兼容；电压暂降；相序调整

0 前言

一个电子系统如果能与其他电子系统相兼容，也就是不产生干扰又能忍受外界的干扰称为该电子系统与其环境电磁兼容。它要求设备应该与其周围环境保持和谐关系，正常运行。在电焊机行业，电磁兼容问题越来越受到重视，我国国标委于2008年制定了我国电焊机行业电磁兼容国家标准GB15579.10 -2008[1]，并于2009年底强制执行，标准的强制执行要求电焊机生产厂家在产品的研发和生产过程中考虑并解决产品的电磁兼容性问题。

在电磁兼容系列问题中，电气设备工作时会受到供电电源电压暂降、短时中断的影响，以上影响称为电压暂降[2]。电压暂降的形成受多方面因素影响，常见的影响因素包括电网中偶然产生的短路、接地故障、骤然变化的大负荷等，造成的恶劣影响可能导致电气设备工作不正常或损坏、接触器异常跳闸、逆变器转换失败。

国家标准的强制执行使电焊机行业针对电焊机电磁兼容测试设备的需求增加。通过调研发现，目前市场上国产测试设备测试容量不能满足大功率弧焊设备电压暂降抗扰度试验的测试要求，进口设备测量容量较大但价格昂贵，且缺少针对弧焊设备开机冲击大电流问题的处理。因此，研制一套针对三相大功率弧焊设备的电压暂降抗扰度测试系统不仅能打破国外电磁兼容测试设备生产商对大功率测试市场的垄断，填补国内空白，同时对推广弧焊设备电压暂降电磁兼容标准，提升国产弧焊设备电压暂降抗扰能力和市场竞争力，推动焊接行业技术进步具有重大意义[3-5]。

1 三相大功率电压暂降抗扰度测试系统硬件设计

根据国家标准GB 15579.10《弧焊设备 第10部分：电磁兼容性(EMC)要求》和GB／T 17626.11《电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰性试验》[6]对电压暂降发生器的要求，调研参考各种电压暂降发生器的设计方案，通过PSIM电路仿真软件对主电路设计进行电路仿真和改进。考虑到焊接电源既可能是容性负载(逆变类焊接电源)，也可能是感性负载(晶闸管整流类焊接电源)，充分考虑到焊接电源频繁起动的焊接实况，吸收了课题前期研究的单相电压暂降抗扰度测试硬件平台对阻性负载的成功测试而对电焊机测试的失败教训[5]，最后确定了三相大功率电压暂降抗扰度预相容测试设备的基本设计方案，如图1所示。测试设备输入部分采用调压器做电压暂降的低压源，用AC SOURCE表示，模拟待测设备承受电压暂降时的状态，采用市电做正常工作电压源，用MAINS表示，模拟待测设备正常工作时的状态，通过开关组1～6的切换，使待测设备由MAINS和AC SOURCE交替供电；在同一时刻，待测设备只能由其中一个供电源供电，相对应相序的开关管(具对应相序的开关组体指开关组1和4，开关组2和5，开关组3和6)驱动信号完全互补，通过这种高、低压交替供电模式，实现电压暂降。

图1 电压暂降抗扰度测试系统设计方案

三相大功率电压暂降抗扰度测试系统工作过程共分为四个阶段，如图2所示。示例是从0°相位时开始进行电压暂降，暂降幅度为暂降至40%UT(UT为待测设备额定工作电压)，暂降时间为三个周期，暂降后休息时间60 ms。

图2 工作过程示意

阶段一：当测试设备开机时，接触器K1、K2、K3导通。此时待测设备就是焊机由MAINS供电，这时可以打开焊机，开机大电流从开机保护电路流过，保护了测试设备内部的功率开关组。

阶段二：准备测试时，接触器K1、K3导通，接触器K2关断，开关组1、2、3导通，此时待测设备是由MAINS供电，但此时MAINS一路的功率开关组已经避开了开机的大电流冲击，接触器的状态将一直保持直到测试急停或测试结束。

阶段三：开始测试时，由单片机控制到达设置暂降初始相位，此处举例以0°为暂降初始相位，双向电子开关组4、5、6导通，开关组1、2、3关断，此时待测设备由AC SOURCE供电，对待测设备实现供电电压暂降。

阶段四：当暂降时间到达设置的暂降时间时，此处举例为三个周期，开关组4、5、6断开，开关组1、2、3导通，此时待测设备由MAINS供电，待测设备的供电从电压暂降恢复为正常供电。

其中阶段三和阶段四是一个暂降过程，在实验过程中可以通过软件设置进行多次暂降。

双向电子开关组是测试设备的关键部分，其设计如图3所示。将IGBT接在一个由VD1、VD2、VD3、VD4组成的整流桥的直流输出端，整流桥直流输出端的正极与IGBT的集电极相连，负极与IGBT的发射极相连，整流桥的交流输入端作为双向功率开关模块的两个接线端A端和B端。当电流为正向时，电流流向是从A端→VD1→IGBT→VD4→B端，当电流为反向时，电流流向是从B端→VD3→IGBT→VD2→A端，由此实现电流的双向流动，满足测试系统硬件设计要求。

图3 双向功率开关组设计

三相大功率电压暂降抗扰度测试系统由相序调整单元、接触器保护单元、暂降发生单元及暂降程控单元组成，系统框图如图4所示。相序调整单元实现当MAINS和AC SOURCE输入相序不对应时自动调整相序的功能，以保证在测试设备上输出正确的暂降波形。接触器保护单元实现开机瞬间弧焊设备冲击电流流过接触器K2，保护测试系统内部IGBT的功能。暂降发生单元通过双向功率电子开关的交替导通和判断，实现电压暂降的功能。暂降程控单元实现通过触摸屏设定，控制测试系统进行相应电压暂降试验的功能。

2 三相大功率电压暂降抗扰度测试系统软件设计

三相大功率电压暂降抗扰度测试系统的软件系统以MSP430F449单片机控制板为控制核心，以WEINVIEW的MT506TV触摸屏为人机交互操作界面，通过Modbus协议实现单片机与触摸屏之间的互相通信。

图4 三相大功率电压暂降抗扰度测试系统框图

2.1 触摸屏人机交互操作界面设计

由于触摸屏本身兼具读和写，即图像显示和参数输入两个功能，可以用来取代机械式的按钮面板，并通过液晶显示画面制造出生动的视觉效果，是人机交互操作界面设计的最佳选择。通过WEINVIEW专用开发软件Easy Builder 500，能够方便地进行多页面的人机交互界面程序的编写。测试系统的人机交互操作界面共分为七个页面，触摸屏页面设计示意如图5所示，自定义参数页面如图6所示。通过人机交互操作界面能够进行不同测试模式的选择，包括：模式一——依据国家标准对单相弧焊设备进行电压暂降试验；模式二——国家标准对三相弧焊设备进行电压暂降试验；模式三——自定义参数进行电压暂降试验。自定义参数能够对暂降时间、暂降初始角度、暂降间隔时间、暂降次数、暂降发生的相等关键参数进行设置，并通过开始试验键控制测试系统进行相应设定的试验。

2.2 电压暂降程序设计

电压暂降的软件设计选用MSP430F449单片机为核心，通过配套开发软件IAR Embedded Workbench进行编程、调试。电压暂降软件设计的原理是通过主程序循环，使单片机与触摸屏不断进行通信，接收操作人员通过触摸屏按照设定参数进行试验，暂降发生程序框图如图7所示。电压暂降程序通过P2口、定时器A和定时器B的中断及计时功能来实现，利用P2口的中断做为电压暂降0°相位的定位，利用定时器A做为暂降初始相位角度的计时器，定时器B做为暂降时间和暂降间隔的计时器，共同完成一个完整的电压暂降过程。

图5 触摸屏页面设计示意

图6 自定义参数页面

3 三相大功率电压暂降抗扰度测试系统调试和试验

图7 暂降发生程序框图

根据GB 15579.10规定，弧焊设备电压暂降抗扰度试验分为两个试验等级和相应的两类判据。第一个试验等级是电压减少30%，即暂降电压为70% UT，暂降起始角度0°，暂降时间为半个周期即10 ms，试验次数为三次，每两次电压暂降试验间隔10 s，在试验过程中观察弧焊设备运行状态，依照判据B判断该弧焊设备是否符合国家标准的规定；第二个试验等级是电压减少60%，即暂降电压为40%UT，暂降起始角度0°，暂降时间为五个周期即100 ms，试验次数为三次，每两次电压暂降试验间隔10 s，在试验过程中观察弧焊设备运行状态，依照判据C判断该弧焊设备是否符合国家标准的规定。注意：B类判据是指允许焊接电流、送丝速度和行走速度在+50%～-100%之内变化，实际使用时可能导致电弧熄灭，在这种情况下采用常规方法再引燃电弧。可以用提供的正常开关来终止输出，比如MIG／MAG焊枪上的开关。试验完后所有的输出应恢复至原始设置。在任何情况下，空载电压都不能超过IEC 60974-1所规定的电压。C类判据是指允许功能有暂时的失效，这时要求手动重新起动焊接设备。除非能再保存，否则存储的数据不允许丢失。在任何情况下，空载电压都不能超过IEC 60974-1所规定的电压[1，6]。

利用三相大功率电压暂降抗扰度测试系统对单相、三相电焊机进行电压暂降抗扰度测试，检测测试系统的测试功能。选择上海沪工的ZX7-200逆变式直流弧焊机做为单相电压暂降抗扰度测试的试验样机，选择福尼斯的VR 7000 CMT做为三相电压暂降抗扰度测试的试验样机，单相弧焊设备电压暂降抗扰度试验测试现场如图8所示。由于测试系统中内置了按照国家标准对弧焊设备进行电压暂降抗扰度试验的试验参数，只需通过触摸屏选择相应试验模式，按下开始试验键即能自动进行相应电压暂降试验。单相电压暂降抗扰度试验电压减少60%试验等级时测试系统输出波形如图9所示，三相电压暂降抗扰度试验时仅对A相进行电压减少30%试验等级时测试系统输出波形如图10所示。通过试验证明，测试系统能够进行符合国家标准的单相、三相针对弧焊设备的电压暂降抗扰度试验；试验中观察电焊机的状态，并无异常情况出现，符合相应国家标准中判据的规定，说明试验焊机的电压暂降抗扰度性能符合国家标准要求。

图8 单相弧焊设备电压暂降抗扰度试验测试现场

图9 模式一试验波形举例

在负载为100 Ω阻性负载时进行模式三自定义参数的电压暂降抗扰度试验，通过触摸屏选择模式三自定义参数试验，将测试参数设置为从240°开始暂降，暂降时间100 ms，暂降间隔时间1 s，暂降次数10次，测试系统输出波形如图11、图12所示。由图可知，样机能够在阻性负载进行电压暂降抗扰度试验，实现模式三自定义参数的电压暂降试验的功能，且角度误差在±1°以内，暂降过程中过冲电压较小，电压突变时间较短，测试容量为40 kVA，最大相电流60 A，符合测试系统设计要求。

图10 模式二试验波形举例

图11 模式三试验波形举例

图12 模式三试验波形举例放大

4 结论

针对电焊机行业的电磁兼容问题特别是电压暂降抗扰度问题的现状、电磁兼容测试设备的市场需求以及电焊机开机冲击电流较大的特殊性，开发了三相大功率电压暂降测试系统，可对阻性负载、容性负载和感性负载进行电压暂降抗扰度试验。通过研究得出以下结论：

(1)针对电焊机开机瞬间出现的冲击大电流，设计了专用于弧焊设备的带接触器保护电路的三相大功率电压暂降抗扰度测试系统主电路结构，该结构能够实现三相电压暂降抗扰度测试的功能，避免弧焊设备在开机瞬间大的冲击电流损坏测试设备。

(2)设计了三相大功率电压暂降抗扰度测试系统的软件控制部分和人机交互界面。通过软件设计，使三相电压暂降抗扰度测试系统能够进行符合国家标准规定的弧焊设备单相、三相电压暂降抗扰度试验和自定义参数电压暂降抗扰度试验。

(3)完成了三相大功率电压暂降抗扰度测试系统开发，该测试系统能够对阻性负载、感性负载、容性负载(负载主要针对弧焊设备)进行电压暂降抗扰度试验，测试容量40 kVA，测试系统各项性能指标符合GB／T 17626.11的要求。

[1]弧焊设备第10部分：电磁兼容性(EMC)要求[S].GB 15579.10 -2008.

[2]全国无线电干扰标准化技术委员会.电磁兼容标准汇编[M].北京：中国标准出版社，2002.

[3]陈树君，杜 利，卢振洋，等.弧焊电源传导骚扰试验研究[J].北京工业大学学报，2007，33(10)：1044-1047.

[4]陈树君，杜 利，殷树言，等.弧焊电源电磁骚扰特性研究[J].电焊机，2007，37(2)：3-6.

[5]刘 进.电压暂降抗扰性预相容测试设备研究[D].北京：北京工业大学机电学院，2009.

[6]电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰性试验[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

国家科技部资助项目(NCSTE-2006-JKZX-123)

陈树君(1971—)，男，山东日照人，教授，博士，主要从事电力电子技术与电磁兼容性、特种焊接工艺及设备应用方面的科研和教学工作。