焊接電源接觸電流測試裝置的研發

陳　凱，蘇　東，胡偉偉

（1.成都三方電氣有限公司，四川成都610052；2.成都理工大學信息科學與技術學院，四川成都610052）

焊接電源接觸電流測試裝置的研發

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.成都理工大學信息科學與技術學院，四川成都610052）

介紹一種焊接電源專用的接觸電流自動測試裝置的工作原理。給出其原理分析、比對測試、硬件組成和軟件框圖。該測試裝置具有自動化程度高、測試準確、使用方便等優點。

焊接電源；接觸電流；測試裝置

0　前言

接觸電流是指當人體或動物接觸一個或多個裝置或設備的可觸及零部件時，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，通過其周圍的介質或絕緣表面而所形成的電流。該電流與焊接電源的結構、材料、使用的環境條件及使用者本身的人體電阻有關。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GB15579.1-2013《弧焊設備第1部分：焊接電源》將接觸電流的測試納入安全測試項目（第6.3.7條）。國標GB15579.1-2013是等同采用國際標準IEC60974-1：2005。符合標準是企業產品準入市場的條件，等同采用國際標準，不但能提高生產企業的產品質量，更能在國際貿易中提升自身的競爭力。所以必須研發符合國標GB15579.1-2013第6.3.7條接觸電流的測試儀器設備。

1　測試網絡[1-2]

GB12113-2003《接觸電流和保護導體電流的測量方法》和GB15579.1-2013《弧焊設備第1部分：焊接電源》對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定[1-2]。對三相焊接電源接觸電流的測試在下述條件下進行：輪流斷開三相焊接電源A、B、C三相電源及保護接地，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所示的模擬人體導電特性的阻容網絡，測量網絡輸出端的電壓值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　幾種常見電焊機的初級泄漏電流波形

幾種常見電焊機的初級泄漏電流波形分析如圖4所示。

從以上泄漏電流波形看出，在正常工作狀態下，對于純交流焊機，其泄漏電流基頻為50 Hz，幾乎沒有諧波；單相IGBT直流焊機，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，其泄漏電流基頻為50 Hz，疊加有最高130 kHz的諧波。

圖4　常見電焊機的初級泄漏電流波形

上述三種焊機在空載下進行初級泄漏電流的測試結果如表1所示。

由表1可知，在工頻焊機（BX1-500）和空載逆變焊機（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據比較接近，差異不大。對于IGBT的ZX7-1250焊機來說，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，測試結果與頻率測試范圍達到50 kHz的TPD系列測試裝置以及示波器出現很大的差異。這與儀器設計的頻響范圍以及適用的行業和產品不同有關。

3　測試設備現狀

接觸電流測試儀是安規測試設備的一種。市場上既有價格較高的包含多種測試網絡的接觸電流測試儀，也有滿足各自行業標準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　三種焊機在空載下初級泄漏電流測試結果mA

量大面廣的測試儀器大多是針對工頻或者諧波含量比較小的設備，對于諧波含量比較高的逆變焊機，只適用于工頻電流的測試儀有相當的局限性。

目前的逆變電源約占70％，其逆變主頻基本為20～100 kHz。大多數工頻接觸電流測試儀存在頻率響應問題，是由其內部信號處理電路的設計原理決定的。逆變電源逆變頻率較高，產生的接觸電流信號頻率也會含較多高頻率的諧波，因此儀表電路的頻率響應設計范圍越寬，信號被衰減濾除的部分越少，測試就越能反映信號的真實大小。而頻率響應范圍越窄，則信號被過濾掉的成分越多，對信號的特定頻率選擇性就越強。

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，則其測試值與真實值的差異就比較大。JJG843《泄漏電流測量儀檢定規程》中提出了頻率響應范圍要求，通用測試儀為15 Hz～30 kHz[3]。

4　測試差異分析

對測試數據進行分析，可以看出使用四種儀器對工頻焊機和主回路逆變電路沒有工作情況下的測試結果差異不大；而在對主回路逆變電路工作時的逆變焊機進行測試時，228表和某型工頻泄漏電流測試裝置與測試范圍達50 kHz的TPD系列測試裝置及示波器測試結果差異較大。

很重要的一點是工頻初級泄漏電流儀是以工頻有效值作為測試基準，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值差異的主要原因。

從上述數據可知，不同頻率響應的初級測試裝置（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的測試技術要求。還有一類測試儀功能齊全，頻響范圍寬，但是價格較貴，功能需求過剩。開發適合焊接電源行業的接觸電流測試裝置勢在必行。

5　接觸電流測試儀構成及工作原理

接觸電流測試儀由單片機系統、阻容測量網絡、濾波與放大電路、精密整流電路、A/D轉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；根據操作者的選擇，輪流切斷A、B、C三相供電電源（對220 V單相焊機則相線自動換相）；測試接觸電流并顯示。當接觸電流超過給定限值時，發出聲音報警信號；測試數據自動保存在外置U盤中；測試系統頻率響應達50 kHz。

本測試系統的關鍵技術是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，單片機系統A/D采樣頻率為200 kHz，軟件對采集數據進行判斷、取舍，減少測量誤差。單片機系統采用硬件隔離，軟件冗余、WATCHDOG等措施保證測試系統有較強的抗干擾性。接觸電流測試裝置實際檢定數據如表2所示。

表2　接觸電流測試裝置實際檢定數據mA

6　結論

TPD系列接觸電流測試裝置已在電焊機行業的產品測試中投入使用，實際使用表明，該測試裝置在測量精度和可靠性等方面都達到了設計要求。測試性能完全能替代昂貴的進口儀器，比僅適用于工頻電流的初級泄漏電流測試儀性能更高，能夠滿足國標GB15579.1-2013標準的測試要求。

[1]GB15579.1-2013.弧焊設備第1部分：焊接電源[S].

[2]GB12113-2003.接觸電流和保護導體電流的測量方法[S].

[3]JJG843.泄漏電流測量儀檢定規程[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，高級工程師，學士，主要從事電焊機檢測工作。