（机械电子工程专业论文）电压暂降抗扰性预相容测试设备研究.pdf

摘要 摘要 针对弧焊电源的电磁兼容性国家标准将于0 9 年强制执行，弧焊电源电磁兼容 认证也将强制执行。因此，大功率电磁兼容测试设备需求非常迫切。电能质量是 电磁兼容性状况判断的一个重要指标，电压暂降是目前电能质量诸多问题中最严 重的一种。但是，大功率电压暂降抗扰性测试设备技术仅为极少机构所拥有。 本课题在分析了关于电压暂降的国家标准g b t1 7 6 2 6 1 1 1 9 9 9 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的基础上，对电 压暂降抗扰性预相容测试设备的工作原理进行了研究，以实现针对弧焊电源的电 压暂降发生器的功能。 本文以i g b t 为主功率器件，设计双i g b t 双向电子开关模型，通过p s i m 仿真 软件分析三相电压暂降抗扰性主电路元器件工作情况，并优化主电路设计，确定 元器件型号。设计信号调理单元和驱动电路解决系统间的电磁干扰。 本文依据g b t1 7 6 2 6 1 1 标准确定控制系统设计要求。以数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计三相电压暂降抗扰度预相容测试设备的硬件控制系 统，并设计控制软件。 设计电压暂降抗扰性试验方案，利用研制的单相电压暂降抗扰性测试样机 实现了阻性负载和容性负载电压暂降。并且测试评价样机性能的四个参数指标： ( 1 ) 过冲电压变化率、( 2 ) 相位变化范围、( 3 ) 分辨率、( 4 ) 输出电压误差， 结果表明各参数符合g b t1 7 6 2 6 1 1 要求。弧焊逆变电源为大的容性负载，在 开机瞬间冲击大，毁坏了测试样机的i g b t 。通过设计开机软启动电路可以解决 开机电流冲击大的问题。 单相电压暂降的功能实现为后续的三相电压暂降功能实现打下了坚实的基 础。 关键词电压暂降抗扰性；双向电子开关：电路仿真；数字信号处理器 a h ”a c t 皇鼍! 皇毫。 m = i , n_ i 鼍! 鼍詈皇曼詈! 曼! 宝! 詈詈! ! 曼詈苎皇置皇詈鼍曼詈! ! 苎! ! ! 詈! ! ! 曼皇暑鼍 a b s t r a c t s i n c e2 0 0 9 ，t h es t r i c tr e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt o w a r d t h ew e l d i n gp o w e rs o u r c ep a r t i c u l a r l yh a db e e nf o r c e dt oc a r r yo u t ，a sw e l la st h e i d e n t i f i c a t i o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fw e l d i n gp o w e r s o u r c e t h e r e f o r e ，t h ed e m a n do fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt e s t i n ge q u i p m e n tw i t hh i g h p o w e ri sv e r yi n s t a n t t h eq u a l i t yo fp o w e rs y s t e mi sac r i t i c a ld e t e r m i n a n tf o r t h e c o n d i t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , a n dt h ev o l t a g es a gi st h em o s ts e r i o u s p r o b l e m sn o w a d a y s y e t ，i nt h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a lm a r k e t , t h ev e r yc o m m e r c i a l v o l t a g es a gi m m u n i t yt e s t i n ge q u i p m e n t st ot h et e m p o r a r yl o w e r i n gi m m u n i t yo ft h e l l i g l lp o w e rv o l t a g eh a v e b e e nm o n o p o l i z e db ys e v e r a lc o m p a n i e s b ya n a l y z i n g t h ed o m e s t i c r e q u i r e m e n t s o f v o l t a g es a g 一 g b t 17 6 2 6 1 l - 19 9 9e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt e s t i n ga n dm e a s u r e m e n tv o l t a g es a g , s h o r ti n t e r r u p t i o n sa n dv o l t a g ev a r i a t i o n si m m u n i t yt e s t ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e s o ft h em e a s u r e m e n te q u i p m e n tt o w a r dv o l t a g e s a gi m m u n i t y f o r p r e - c o m p a t i b l et e s t i n ge q u i p m e n tw i t ht h ee x p e c t a t i o nt oa c h i e v et h ef u n c t i o n so f v o l t a g es a gg e n e r a t o r , e s p e c i a l l yf o ra r cw e l d i n gp o w e r t h i sp a p e rd e s i g n e dt h em o d e lo fi g b tb i d i r e c t i o n a le l e c t r o n i cs w i t c hw i t h i g b ta sm a i np o w e rd e v i c e ，a n da n a l y s i st h em a i nc i r c u i tc o m p o n e n t s c o n d i t i o nt o t h et h r e e p h a s ev o l t a g ed i pt e s te q u i p m e n ti m m u n i t yt h r o u g h t h es i m u l a t e d s y s t e m - 一p s i m i na d d i t i o n ，i ta l s oo p t i m i z e dt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i ta n d d e t e r m i n e dt h et y p eo fc o m p o n e n t s t h r o u g hs i g n a l a d j u s t ，i t c a ns o l v et h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ew i t h i nt h es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fg b t17 6 2 6 11 u s i n gs i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12a sc o r e ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m a n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e i ta l s od e s i g n e dt h et e s t i n gp r o p o s a lo fv o l t a g es a gi m m u n i t y t e s t s t h r o u g hd e v e l o p e dt e s t i n gp r o t o t y p eo fs i n g l e - p h a s ev o l t a g es a gi m m u n i t yt o a c h i e v ev o l t a g es a gw i t hb o t hr e s i s t a n tl o a da n dc a p a c i t i v el o a d m o r e o v e r , i tt e s t e d a n de v a l u a t e df o u rp a r a m e t e ri n d e x e so fp r o t o t y p e sp e r f o r m a n c e ：1 ) c h a n g er a t eo f i n s t a n t a n e o u sp e a ko v e r s h o o tv o l t a g e ，2 ) p h a s es h i f t i n g ，3 ) p h a s er e l a t i o n s h i po f v o l t a g ed i p so fi n t e r r u p t i o n sw i t ht h ep o w e rf r e q u e n c y , 4 ) o u t p u tv o l t a g ee r r o r , a s e v e r yp a r a m e t e ri s w i t h i nt h er e q u i r e m e n to fg b t17 6 2 6 11 d u et ot h eh i 【g h c a p a c i t i v el o a do ft h ea r cw e l d i n gi n v e r t e r , t h e r ew i l lb eas t r o n gi m p a c tb yt h e m o m e n to ft u r n i n gt h em a c h i n eo n ，w h i c hw i l ld e s t r o yt h ei g b to ft e s t i n ge q u i p m e n t 儿j ：i t 、i i ，、。：t 、：j 硕卜 位沦上 t h u s ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g ns o f t - s t a r t c i r c u i tt oa v o i dt h er u s hc u r r e n to ft h e w e l d i n gp o w e r s o u r c e t h es u c c e s so ft h es i n g l e - p h a s ev o l t a g es a gm a k e saf i r mb a s ef o rt h es u b s e q u e n t r e a l i z a t i o no fv o l t a g es a go ft h r e e - p h a s ev o l t a g e k e y w o r d s ：v o l t a g ed i p s ；b i d i r e c t i o n a le l e c t r o n i cs w i t c h ；c i r c u i ts i m u l a t i o n ；d s p ； i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个 在导师指导下进行的研究工作2 j 2 取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：到垫日期：旦2 望查 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：固照导9 程名：翟龌日期：1 21 垒 第1 帝绪论 1 1引言 第1 章绪论 电网供电质量是电磁兼容性状况判断的一个重要指标，我国电力正处于高速 建设时期，电力建设步伐不断加快。随着我国跨大区电网和全国联网的建设，我 国电网将真正进入到大电网、大机组、高电压的运行阶段【l 】，其弊端在于大型互 联电力系统中局部事故极易扩散，导致大面积严重影响或者停电【2 1 。因此在我国 的现阶段电网条件制约下，电网质量和电力电子设备的电磁兼容问题需要引起足 够的重视。 根据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资、降 低能耗、提高系统安全性和灵活性的主要方法，是未来电力发展的趋势。国际大 型电力系统委员会( c l g r e ) 将分布式电源定义为：非经规划的或中央调度型的电 力生产方式，通常与配电网连接，一般发电规模在5 0 1 0 0 m w 之间，分布式发 电的电源d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称为d g 。分布式发电的主要特征就是电力 就地消化。分布式发电与大电网系统结合虽然有一系列的好处，但是也会引发配 电网的一系列扰动，对电网供电质量造成很大影响，分布式发电与大电网系统结 合引发的电压暂降问题，是目前研究的热点问题【3 j 。 从2 0 世纪7 0 年代起，电力电子元器件的发展和可靠性的提高推动了逆变技 术在材料加工设备中的应用，但随着逆变型电弧焊接设备的大规模应用，随之而 来的电磁兼容性( e m c ) 问题也越来越严重。一方面，电力电子开关器件工作 频率高，电压、电流变化速率快，因此在工作时电弧焊接设备对外界产生很大的 电磁干扰，严重的影响其它用电设备的正常运行，甚至导致设备损坏，并会严重 的影响电网的供电质量：另一方面，外界的电磁干扰和电网供电质量的下降也会 对电弧焊接设备的正常运行造成影响【 】。 电压暂降是目前电能质量诸多问题中最严重的一种，不同的供电系统电压暂 降问题，占电能质量问题总数的6 1 - - - 8 7 6 1 。电力负荷的数字化和电子化使电 能质量问题不再等同于传统的供电可靠性，更多的表现在动态电压质量问题上。 我国国标委已根据最新电磁兼容国际标准i e c6 0 9 7 4 1 0 ：2 0 0 7 在2 0 0 8 年底完成弧 焊电源电磁兼容性要求国家标准g b1 5 5 7 9 1 0 初稿的制定【7 埘。标准规定弧焊电 源的电磁兼容测试包括两类，分别为发射测试【9 - 1 2 和抗扰性测试【1 3 1 6 1 共有十项测 试，其中电压暂降抗扰性测试是属于抗扰性测试。 电子、电力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 j l 山ii 业、。# l ! j ：f 映l 了： t 论义 响称为电压暂降旧。一般来说，电压暂降是指电压偶然暂降到大于额定电压 1 0 1 5 ，持续时间为0 5 - - - 5 0 个周期的电压变化。电压暂降是由于高压、中 压和低压电网中偶尔产生的短路、接地故障或者负荷出现大的变化造成的，严重 时可以导致电子、电力设备工作异常甚至损坏、接触器跳闸和逆变器的转换失败 等等。如英国某造纸厂由于持续仅2 - - 3 个周波o 9 p u 的电压暂降，造成关键负 荷可调速驱动装置跳闸，生产线作业中断，一次事件的直接损失达1 4 万英 镑【1 引。 由于弧焊电源的电压暂降对电网质量造成严重污染，其电磁兼容性问题也一 直未能得到解决，目前迫切需要开展逆变焊机电压暂降抗扰性测试和研究。g b t 1 5 5 7 9 1 0 在0 9 年将颁布并强制执行，弧焊电源的电磁兼容认证也将进行强制认 证，电焊机行业的各个厂家在通过e m c 认证测试之前，需要配备e m c 预相容 测试设备以方便在产品的研发过程中考虑并解决产品的电磁兼容性问题。因此应 用于电焊机的电磁兼容测试设备市场需求很大，但是现在市场上弧焊电源的电压 暂降测试设备的设备选择范围很小，而且大都是价格昂贵的进口设备。因此，研 制一套针对弧焊电源的电压暂降抗扰性预相容测试设备不仅能打破国外电磁兼 容测试设备生产厂家对这一市场的垄断，填补国内空白，更重要的是使电压暂降 测试设备能够推广应用，以提高国产逆变焊接装备性能、质量和市场竞争力，进 而推动焊接行业技术进步。 1 2 弧焊电源的电磁兼容问题 1 2 1 弧焊电源电磁兼容的状况 作为一种典型的大功率电力电子装置，弧焊电源多使用在电磁环境恶劣的工 业环境中，工作时会产生大量的电磁骚扰，不仅会干扰同一环境中的设备，而且 还会降低电网供电质量。同时，随着高速开关器件和数字电路的广泛应用，弧焊 电源的电磁兼容问题也越来越严重。我国进入w t o 以后，由于标准体系不够完 善，准入制度宽松，国外弧焊电源大量涌入我国市场，对本土弧焊电源生产厂商 造成了巨大的冲击，而我国弧焊电源在出口时则常常遭到外国技术壁垒的限制。 2 0 0 9 年我国将依据i e c6 0 9 7 4 1 0 为蓝本出台弧焊电源电磁兼容性要求国家标准， 将进一步规范国内弧焊电源市场，提高我国弧焊电源的科技含量、生产水平和市 场竞争力【19 1 。 钙i 辛绪论 1 2 2 弧焊电源电磁兼容性要求 在i e c6 0 9 7 4 1 0 ：2 0 0 7 中，弧焊电源的电磁兼容试验可分为以下两类 2 0 】： 1 ) 高频电磁骚扰测试：0 1 5 3 0 m h z 的电源端子骚扰电压测试；0 1 5 3 0m h z 的信号线、控制线及直流电源线电源端子骚扰电压测试；3 0 1 0 0 0 m h z 的电磁辐 射骚扰测试。低频电磁骚扰测试：0 2 k h z 的工频谐波、电压波动和闪烁。 2 ) 产品的抗扰性试验：静电放电抗扰性试验；射频电磁场辐射抗扰性试验； 电快速瞬变脉冲群抗扰性试验；浪涌( 冲击) 抗扰性试验；射频场感应的传导骚扰 抗扰性试验；电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰性试验。 1 2 3 弧焊电源电磁兼容测试结果 北京工业大学焊接设备研究所受成都电焊机研究所委托，完成了针对国内市 场上常见的各种逆变弧焊的电源电磁兼容性能的市场分析试验。被测试的弧焊电 源在输出电流容量上，包括了从1 6 0a 到1 0 0 0a 的焊机；在类型上，包括了手 工电弧焊机、氩弧焊机、气体保护焊机和埋弧焊机；在主要器件选用类型上，涵 盖了小功率的m o s f e t 开关焊接电源、中高功率i g b t 开关焊接电源和中大功 率晶闸管整流焊接电源，此外还对相同规格的国产和进口焊接电源进行了对比试 验，测试结果如图1 1 。从图中可以看出国产焊机与进口焊机尚有较大的差距， 尤其是在电磁骚扰发射上，国产焊机的通过率远远低于进口焊机，而在电磁抗扰 性性能上，国内外焊机的性能相差不大。所以国内各弧焊电源厂商在设计、制造 过程中应该对谐波电流发射和传导骚扰发射加以抑制，达到技术标准要求，提高 国产焊机在市场上的竞争力。 虢f ”j ”“，* 一一 覆 霪 縻 张刃砀 一 习 蓬 卅 鬟 菱墓 一么 矿一 鍪薹薹，麓 秘 ；【 杂矿矿薅梦矿 图1 - 1 外弧焊电源电磁兼容测试结果对比 f i g i - 1c o m p a r i n gt e s tr e s u l t so fn a t i v ea n di m p o r tw e l d i n gm a c h i n e 旨： 加 的 们 洳 m o 1 2 4i e c6 0 9 7 4 1 0 ：2 0 0 7 的转标 2 0 0 9 年9 月，我国强制性标准弧焊设备第l o 部分：电磁兼容性( e m c ) 要求刚制定完成，预计2 0 0 9 年9 月将颁布实施。而新国标正是依据i e c 6 0 9 7 4 1 0 ：2 0 0 7 为蓝本制定的。国际电工委员会( 正c ) 下属第2 6 技术委员会 ( t c 2 6 ) 制定的i e c6 0 9 7 4 1 0 电弧焊接设备的电磁兼容性要求适用于弧焊 和辅助设备，包括焊接电源、送丝装置、引弧和稳弧装置，频率范围为 1 5 0 k h z - 1 g h z 。图1 - 2 所示为新版i e c6 0 9 7 4 - 1 0 ：2 0 0 7 与弧焊电源相关的所有电 磁兼容标准。 新的弧焊设备电磁兼容性要求的颁布，将完善弧焊电源在电磁发射和电 磁抗扰性方面要求。该标准强制实施对推动弧焊电源的技术进步、提高产品质量、 保证人身和设备安全、提高产品在国际上的竞争力具有重要意义。 图l - 2 弧焊电源相关电磁兼容标准 f i g 1 - 2e m c s t a n d a r d so ft h ew e l d i n ge q u i p m e n t s 1 3 弧焊电源电压暂降抗扰性标准介绍 电压暂降抗扰性电磁兼容测试标准依据g b t17 6 2 6 1 1 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( g b t1 7 6 2 6 1 1 2 0 0 8 ， i e c6 1 0 0 0 - 4 1 1 ，i d t ) 进行。标准中规定了电压暂降抗扰性设备的模型。目前， 标准适用于输入电流每相不超过1 6 a 连接到5 0 h z 或者6 0 h z 交流网络的电气和 电子设备。 第1 审绵论 1 3 1测试目的 电压暂降抗扰性测试旨在评价电气和电子设备在经受电压暂降、短时中断 时，装置、设备或系统面临这些骚扰不降低运行性能的能力。典型的电压暂降如 图1 3 所示。 【， 八aaaaaaaa aa 八八 v o vvvvv vvvv v vv 赢 1 3 2 测试原理 图1 3 电压暂降示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i co f v o l t a g ed i p 在电压暂降抗扰性抗扰性试验中，使用电子开关控制两个独立调压器，如图 1 4 所示。当两个开关交替闭合时，便可以模拟电网电压的暂降或回升。电子开 关使用i g b t ，调压器可以用电动机自动控制。弧焊电源的电压暂降抗扰性试验 在交流电源输入端口进行。试验分别在以试验发生器7 0 u t 的输出电压和4 0 u t 输出电压( u t = - 试验发生器输出端的额定工作电压) 、( 注：以下除特别说明外，“电 压暂降或电压暂降抗扰性”试验中的“输出电压 ，均是指试验发生器的输出 电压) 相应的对e u t 进行3 0 0 ：4 电压暂降抗扰性持续0 5 个周期即l o m s ，暂降相 位分别为0 。和1 8 0 。与6 0 电压暂降抗扰性、持续5 个周期即l o o m s ，暂降相 位为0 。的2 个电压等级试验。电压暂降抗扰性测试布局及实际测试场景如图1 5 所示。 p - - 一一一一一- - - 一- - - - ： 变压器1： 相线 电源 中线 图1 4 使用调压器和开关进行电压暂降抗扰性试验原理图 f i g 1 - 4s c h e m a t i co ft e s ti n s t r u m e n tf o rv o l t a g ed i p sa n ds h o r ti n t e r r u p t i o nu s i n g v a r i a b l et r a n s f o r n l e r sa n ds w i t c h e s l ：妊悭型业釜 a ) 测试布局 b ) 测试现场 图i j 电压暂降抗扰性测试布局及实际测试场景 f i 9 1 - 5l a y o u ta n d p h o t o o f v o l t a g e d i p s i m m u n i t y t e s t 13 3 抗扰性试验等级 根据i e c6 0 9 7 4 - 1 0 ：2 0 0 7 电弧焊接设各e m c 要求的规定，需要对电弧焊 接设备的交流电源输入端口和过程测量、控制线端口进行电压暂降抗扰性试验。 电压暂降抗扰性试验等级如表l 一1 所示。 表i i 电压暂降抗扰性试验规范 t a b l e l - lt e s t l e v e lo f v o l t a g ed i p s i m m u n i t y 项h单位 规范标准备注等级 暂辟 蒯期 电压暂降 电源端口 “暂降 间期 抗扰性试验结果按照受试设备的运行条件和功能规范进行如下分类： 1 ) a 类判据。电孤焊设备在技术要求限值内能正常工作。除非制造商另有 规定，否则焊接电流、送丝速度和行走速度变化在1 0 以内是可以接受的。所 有的控制功能能正常运行，特别是w 以用提供的正常开关泉中止输出，比如 m i g m a g 焊枪上的开关或者脚踏开关。存储的数据不允许丢失。试验完后所有 的输出应恢复原始设置。在任何情况f 空载电压都小能超过i e c6 0 9 7 4 1 所规 定的电压。 2 ) b 类判据。允许焊接电流、送丝速度和行走速度变化在+ 5 0 n - 1 0 0 之 山( 实际使用中，这可能会导致电弧的熄灭，在这种情况f 用常规方法再引燃电 弧) 。可以用提供的f 常开关来中止输出，比如m i g m a g 焊枪上的开关。试验 完后所有的输h 应陂复原始设置。在任何情况下，空载电胜都不能超过i e c 筇1 节绢沦 6 0 9 7 4 1 所规定的电压。 3 ) c 类判据。允许功能有暂时的失效，这时要求手动重新启动焊接设备。 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i e c6 0 9 7 4 - 1 所规定的电压。 1 3 4 试验过程 在进行弧焊电源电压暂降抗扰性试验时，如弧焊电源为三相供电设备，则需 三相分相暂降和三相同时暂降试验。 首先，进行试验等级7 0 u t 电压输出电压暂降，整个暂降试验周期包括三 个电压暂降抗扰性试验，每个电压暂降抗扰性时间为1 0 m s ，每次暂降间隔1 0 s 。 相应地3 0 电压暂降抗扰性试验，弧焊电源必须达到b 级别要求。 然后进行试验等级4 0 u t 电压输出电压暂降，整个暂降试验周期包括三个 电压暂降抗扰性试验，电压暂降抗扰性时间为l o o m s ，每次暂降间隔1 0 s 。而对 于6 0 电压暂降抗扰性试验，则需达到c 级别要求。 1 3 5 弧焊电源电压暂降抗扰性试验测试结果 使用国家标准g b t1 7 6 2 6 1 1 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，对弧焊电源的电压暂降抗扰性进行测试。表1 2 中列出的是部分弧焊电源的电压暂降抗扰性试验结果。 表1 2 电压暂降抗扰性抗扰性测试结果 t a b l e1 - 2t e s tr e s u l t so f v o l t a g ed i p si m m u n i t y 3 0 跌落6 0 跌落 测试 序号 i d i el o a di d i el o a d 结果 iaabbp 2aabbp 3aa ccp 4 aaaap 5bbbb p 6a accp 7aabap 8a afff 9aaabp l oaaaap l laaa ap 1 2bbbbp 1 3aabbp 1 4a a aa p 1 5 aa a ap 1 6 aaaap 儿h i t 、m 人；：10 ：坝i 7 ：位论义 i d l e 状态下考核弧焊电源闲置电压波动情况，l o a d 情况下考核它的输出电流 波动情况。在1 6 台测试的弧焊电源中，只有1 台没有通过本项测试，合格率为 9 3 7 5 。2 台焊机在试验等级7 0 u t 电压输出电压暂降抗扰性时出现了性能暂时 下降，占总数的1 2 5 ，9 台焊机在试验等级4 0 电压输出电压暂降抗扰性时出 现了性能暂时下降，占总数的5 6 2 5 ，但都在试验过后恢复正常。在整个试验 过程中，仅有1 台电源在试验等级4 0 电压暂降抗扰性时产生了永久性损坏。 1 4 电压暂降抗扰性设备研究现状 国内有不少高校对电压暂降抗扰性测试设备进行研究。 其中中科院的梁亮等人设计了变压器串联型电压暂降发生器，能够适合于风 力发电系统，可以实现国外昂贵的电压暂降发生器的基本功能【2 ，其拓扑结构为 变压器串联型电压暂降发生器，如图1 - 6 所示。电网电压经过一个自耦调压器接 到升压变压器的一次绕组处，升压变压器的二次绕组接负载，在升压变压器一次 绕组和二次绕组之间接入继电器，继电器动作的时候会将升压变压器从系统中切 除，从而达到电压暂降的效果。系统的控制由单片机系统构成，可以做到暂降类 型和时间可控。由于负载和电网通过变压器连接，所以负载可以向电网提供无功 功率，从而满足进行无功补偿研究的需要。 图1 6 变压器串联型电压暂降发生器 f i g 1 - 6s _ e t i e 8t r a n s f o r m e rt y p ev o l t a g e - d i pg e n e r a t o r 拉脱维亚的jn i l r a n e n 提出了变压器故障运行型电压暂降发生器，如图l - 7 所示。变压器l 起到的作用是将电网电压调整为负载需要的电压值，并且起到了 一个容量调节的作用。在正常运行的时候，系统的容量被认为是变压器1 的容量 值。变压器2 起到的作用是产生电网电压暂降故障。电网电压暂降的原因主要是 由于电网某处发生了对地短路故障引起的，当变压器2 - 次侧通过控制继电器组 1 ，2 与地短接的时候就会产生短路电流，从而在负载处产生电压暂降的效果。但 是由于变压器2 需要运行在对地短路的故障状态，因此对其要求会比较高。它需 要能够承受较大的瞬时短路电流值，这就导致对变压器2 的技术参数、性能要求 比较苛刻、价格比较昂贵，进而导致整套系统的造价很甜2 2 j 。 筇1 幸绪论 珂 ? 负骏； 琵浏 变压器1 l |k i a 厂、 变压器： ， ：幽 、 ) j i 砬 = = = = 图1 7 变压器故障运行型电压暂降发生器 f i g 1 - 7g r o u n d i n gt r a n s f o r m e rt y p ev o l t a g e - d i pg e n e r a t o r 第三种拓扑结构为串联电阻器电抗器类型的电压暂降发生器，如图1 8 所 示。电压暂降发生之前继电器组起旁路作用，使电阻器，电抗器与系统隔离。继 电器组动作的时候会将电阻器电抗器投入到电网和负载之间，从而在负载侧产 生电压暂降的效果。但是由于电阻功率的限制往往要求电阻的功耗容量、阻值比 较大，这就导致电压暂降的深度很大，负载端的电压值几乎为零。由于串联了这 类电阻，负载侧的设备无法向电网馈送能量，也就无法用这种设备进行无功补偿 的研究。 图1 8 串联电阻器电抗器型电压暂降发生器 f i g 1 8s e r i e sr e s i s t o r r e a c t o rt y p ev o l t a g e - d i pg e n e r a t o r 第四种拓扑结构为逆变器型电压暂降发生器，如图卜9 所示。系统通过控制 逆变器的调制比和整流器的直流母线电压来实现电压暂降。目前，在逆变器中引 入了大功率的可控器件，所以电压暂降的深度、相位、时间、类型均可控制。国 外的商业化测试设备大多采用了这一方案，但是，这类设备往往控制复杂、造价 昂贵。很多研究只需要用到其中的部分功能，造成了资源的浪费2 3 1 。 北京t q k j , i - ：一i i ! f 畎i “；他沦文 无穷大电网 图1 - 9 逆变器型电压暂降发生器 f i g 1 - 9i n v e r t e rt y p ev o l t a g e - d i pg e n e r a t o r 国内市场上供应的电压暂降抗扰性测试设备原理多为逆变器型电压暂降发 生器，面向的对象多为小功率电器，测试设备输出电流在1 0 2 0 a 。苏州泰思特 电子科技、杭州远方公司等都可以提供相应的设备。 针对大功率电器设备的电压暂降抗扰性测试设备要求输出电流在5 0 a 以上， 目前只有s c h a f f n e r 、e mt e s t 、e m c p a r n e r 等公司可以提供，价格相当 昂贵。 目前的g b 厂r 1 7 6 2 6 1 1 规定只适用于输入电流每相不超过1 6 a 的电气和电子 设备。而即将出台的i e c6 1 0 0 0 1 1 马上要提高了测试的等级，要求输入电流每相 达到7 5 a ，这将对测试仪器提出更为严格的要求。 1 5 本课题主要研究内容 大功率电压暂降抗扰性测试设备工作过程中功率开关管电压电流冲击很大， 极易造成功率器件的损毁，研究成本较高。因此要研发三相大功率电压暂降抗扰 性测试设备前，首先必须研究单相电压暂降抗扰性样机工作原理，并实现单相测 试样机功能，其次在此基础上分析各个系统工作情况。基于上述原因，本课题的 研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 分析电压暂降抗扰性测试系统主电路的设计过程，包括系统总体架构设 计，两种双向电子开关结构设计，并通过p s i m 仿真软件分析三相电压暂降抗扰 性主电路元器件的工作过程，选择合适的器件型号；最后设计吸收电路和驱动电 路。 2 ) 依据g b t1 7 6 2 6 1 1 条款要求确定控制系统设计要求。以数字信号处理 器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计硬件控制系统，并设计控制软件。 3 ) 研制一台单相电压暂降抗扰性预相容测试样机，分别对阻性负载和容性 负载以及弧焊设备进行测试，分析样机的指标，根据相关实测结果及实验数据得 出结论。 筇2 幸l l f j 辛f f 详抗 j c f ，f 。顶 n 7 ；：则i 丈i 2 符n l ：f u p # i 殳! 曼詈詈皇喜皇n - n,m m 一_ 。皇 第2 章电压暂降抗扰性预相容测试设备主电路设计 本章详细介绍了电压暂降抗扰性测试系统主电路设计过程。首先介绍系统总 体架构，给出了两种双向电子开关结构设计模型。然后，通过p s i m 仿真软件分 析三相电压暂降抗扰性测试设备主电路工作情况，选择合适的器件型号。接着， 通过仿真和对比试验，设计合适参数的吸收电路和磁性元件解决i g b t 开关过程 中高d u d t 和d i d t 的问题。最后，设计信号调理电路和驱动电路解决系统间电磁 干扰问题。 2 1 测试系统主电路框架和工作原理 弧焊电源按供电方式分为三相和单相电源。三相弧焊电源的暂降方案可选择 逐相暂降和三相同时暂降。对于单相设备，上述两种方案是统一的。这里，分析 三相电压暂降抗扰性测试设备的主电路工作方式和电路模型，见图2 1 。输入端 m a i n s 接电网端口( l a 、l b 、l e 、n ) ，模拟正常电网电压状态；另一个输入端 a cs o u r c e 接调压器降压后的电压端口，模拟电网暂降时电网电压状态( 电压 短时中断状态是暂降电压降至0 v 的状态) 。通过交替闭合功率开关组l 和功率 开关组2 模拟加载到受试设备e u t ( e q u i p m e n tu n d e rt e s t ) 的电压恢复和暂降。为 保证接入m a i n s 端和a cs o u r c e 端的三相电相序必须相同，在接线端和功率 开关组之间设计相序调整装置相序检测子程序和检相电路( 第三章详细介 绍) ，调整两路三相输入电相序一致。 缚电器缃4 ： 二u ： m a i n s 瓣! 墨细i3 1 1 1 ；毒细- l l m lm l：m n 检 测试单丰h 设备 a c s o u r c e 肼 l a 相 m , 哆m z 兰多苎+ e f t 2 罗3 电 一 多j y r n l b 路 ， 一 p - 旷 l c l 一 ， 图2 1 三相电压暂降抗扰性设备的系统模型 f i g 2 - ls c h e m a t i co f t e s ti n s t r u m e n t a t i o nf o rv o l t a g ed i p 此片i t 业人0 ：l 。：坝i 。位论文 本设备的测试对象弧焊电源是典型的容性负载，在开机瞬间会产生幅度很大 的电流冲击。附录中图l 是典型的弧焊电源电路模型，电源线接三相整流桥整流， 直流母线电压5 4 0 v 给滤波电容( 零电压、零电流状态) 充电相当于直流母线瞬 时短路，冲击电流巨大。通过提高电压暂降抗扰性测试设备的功率开关管容量可 以提高抗弧焊电源开机冲击能力，但会造成该设备成本增加，更重要的是增大了 设备运行风险。 设计软启动供电电路，见图2 1 所示。由继电器组4 连接正常电网和受试设 备。电压暂降抗扰性设备开通后，先接通继电器组4 正常电网为弧焊电源供电， 并将滤波电容充电。充电完成后，接通继电器组1 、继电器组2 和继电器组3 。 然后，接通功率开关组。此时，继电器组4 与功率开关组1 两个通路同时对弧焊 电源供电。当功率开关组1 这路供电电流稳定后，断开继电器组4 ，此后进入电 压暂降抗扰度测试过程。开机软启动设计可以保证电压暂降抗扰度测试设备避开 弧焊电源开机电流冲击。 电压暂降抗扰度测试时，三相电压暂降抗扰性测试设备每一相电压暂降过程 同单相电压暂降抗扰性预相容测试设备一致。单相电压暂降抗扰性测试设备的电 路框架和工作原理，如图2 2 所示，工作时序如图2 3 所示。交流接触器k 1 、 k 2 、k 3 闭合，接通设备主回路。开始进入电压暂降过程：m a i n s 和a cs o u r c e 的开关信号控制功率开关组l 和功率开关组2 交替通断，实现e u t 电压暂降和 恢复暂降的电压波形。 图2 - 2 主电路的原理图 f i g 2 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm a i nc i r c u i t 筇2 辛f uj f j 杆降抗扰r l 页士兀京洲试设齐n 1 ：f u 路设： u u 芒一 一u l ：! 二= 1 t u 图2 3 典型工作的时序图 f i g 2 3 聊i c a l q i l d i a g r a m 2 2 两种主电路电子开关结构设计 电压暂降抗扰性预相容测试系统设计中，一个比较重要的部分就是双向功率 电子开关模块 2 4 - 2 5 1 。由于成本原因通常会考虑可控硅作为双向功率开关模块的 基件，但是可控硅的功率频率不能很高，而且是半控型器件，并不适合高速电子 开关的应用。所以考虑采用现有的其他开关器件构造出一个双向开关。在这里功 率器件流过电流大，选用i g b t 作为开关器件，并设计了两种方案可以构成双向 电子开关。第一种模型如图2 - 4 ( a ) 所示，将两个带有反并联二极管的功率开关 元件i g b t l 和i g b t 2 对接，i g b t l 和i g b t 2 的栅极连在一起，发射极接在一起。 i g b t l 的集电极和d l 的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，i g b t l 集电极 和d 2 的阴极连接形成双向功率开关模块的另一端，d 1 、d 2 的阳极和i g b t l 、 i g b t 2 的发射极共同连接在一起。 另一种功率电子开关的方式如图2 4 ( b ) 所示，将一个功率开关元件i g b t 接在一个由d 1 、d 2 、d 3 、d 4 组成的单相整流桥的直流输出端，该单相整流桥 直流输出端的正、负极分别接i g b t 的集电极、发射极，它的交流输入端作为双 向功率开关模块的两个接线端。 北京t 业、t 。、产坝1 t 化i 芑上 d 1 端子l * 盯 【 l j a ) 第一种电子开关模型 b ) 第二种电子开关模型 图2 _ 4 双向电子开关电路模型 f i g 2 4t w ok i n d so f c i r c u i tm o d e l so f b i d i r e c t i o n a le l e c t r i cs w i t c h 2 3三相主电路模型和电路仿真 端子2 现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统分析提供了崭新的途径，可以使 复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加简单有效。p s i m 是专门为电 力电子和电机控制而设计的仿真包，仿真快速且有着友好的用户界面；它还提供 了强大的仿真环境，可以从事电力电子、模拟数字控制、电机驱动等方面的仿真。 目前，应用p s i m 进行电力电子系统的分析、建模、开发受到了广