[關(guān)鍵詞]計算機仿真 焊接逆變電源

摘 要： 逆變焊接電源是焊接電源的主要發(fā)展方向之一。介紹了國內(nèi)外逆變焊接電源的發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨的問題，并指出應(yīng)用計算機仿真技術(shù)開發(fā)焊接逆變電源的必要性。在回顧了計算機仿真技術(shù)的發(fā)展歷程，尤其是電力電子仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和特點之后，結(jié)合其在焊接電源領(lǐng)域的應(yīng)用情況介紹了常用的幾種電路仿真軟件及其應(yīng)用特點。zui后，對仿真技術(shù)在焊接逆變電源中的應(yīng)用所存在的問題進行了深入分析，進而對其發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞： 計算機仿真 焊接逆變電源

APPLICATION OF COMPUTER SIMULATION TO INVERTER WELDING POWER SOURCE

Harbin Institute of Technology Ren Pingping, Wang Qing， Wu Lin

Abstract The development of inverter welding power source is the inexorable trend of welding power source orientation. This paper introduces the current development of inverter welding power source at home and abroad and the facing difficulties during the research of this aspect, and then points out the necessity of the application of computer simulation. After the review of the development of computer simulation, especially the characteristics and status quo of the electrical and electronic simulation, a summary of its application to welding power source and some simulation soft packages generally used is introduced. In the end, based on the deep analysis of its application to welding power source, this paper forecasts the future development.

Key words: computer simulation, inverter welding power source

0 前 言

　　焊接電源的制造已有一百多年的發(fā)展歷史，進入20世紀60年代之后，硅整流元件、大功率晶體管(GTR)、場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等器件的相繼出現(xiàn)，集成電路技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，為電子焊接電源的發(fā)展提供了更廣闊的空間，其中zui引人注目的是逆變焊接電源[1]。

　　逆變焊接電源體積小、重量輕、節(jié)能省材，而且控制性能好，動態(tài)響應(yīng)快，易于實現(xiàn)焊接過程的實時控制，在性能上具有很大的潛在優(yōu)勢。從長遠觀點來看，逆變焊接電源是焊接電源的發(fā)展方向，國外逆變焊機的發(fā)展也充分說明這一點。目前在工業(yè)發(fā)達國家，手工電弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊已經(jīng)廣泛采用逆變電源。世界上幾家主要焊機制造廠商都已經(jīng)完成了逆變焊機產(chǎn)品系列化，并以此作為技術(shù)水平的標(biāo)志之一。

1 焊接逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀

　　逆變電源被稱為“明天的電源”，其在焊接設(shè)備中的應(yīng)用為焊接設(shè)備的發(fā)展帶來了革命性的變化［2］。首先，逆變式焊接電源與工頻焊接電源比節(jié)能20%～30%，效率可達80%～90%；其次，逆變式焊接電源體積小、重量輕，整機重量僅為傳統(tǒng)工頻整流焊接電源的1/5～1/10，減少材料消耗80%～90%。特別是逆變式焊接電源有著動態(tài)反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，其動態(tài)反應(yīng)速度比傳統(tǒng)工頻整流焊接電源提高了2～3個數(shù)量級，有利于實現(xiàn)焊接過程的自動化和智能控制。這些都預(yù)示著逆變焊接電源有著廣泛的應(yīng)用前景和市場潛力。目前，日本松下公司、大阪變壓器公司的電弧焊機中，逆變焊機都超過了50%。美國的主要焊機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的逆變焊機已經(jīng)超過了30%。其它工業(yè)發(fā)達國家逆變焊接電源的發(fā)展速度也是很快的［2］。

　　我國逆變焊機的研究開發(fā)起步于20世紀70年代末期，于20世紀80年代開始發(fā)展。1982年，成都電焊機研究所開始了對晶閘管逆變式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我國第1臺商品化的ZX7-250逆變式弧焊電源，并通過了該項目的部級鑒定。隨后，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)和時代公司等單位相繼推出了采用各種開關(guān)元件的逆變式焊機?，F(xiàn)在，我國逆變焊機電源已形成4代產(chǎn)品：*代是以可控硅SCR為主功率器件的逆變器；第二代是晶體管逆變器；第三代是場效應(yīng)管逆變器；第四代是IGBT逆變器，其逆變頻率高，飽和壓降低，功耗小，效率高，無噪聲，與前3代逆變器相比，優(yōu)勢更明顯［3］。

　　逆變焊機發(fā)展的廣闊前景吸引了眾多大專院校和研究所。但是由于逆變焊接電源強電和弱電相結(jié)合，在研制時采用傳統(tǒng)的試驗方法不但要消耗大量的人力、物力和時間，且有些問題是試驗方法難以發(fā)現(xiàn)和解決的。因此需要提出新的設(shè)計方法和手段。

　　近幾年來，電路分析和設(shè)計的方法由于采用計算機仿真技術(shù)而得到飛速發(fā)展。電路設(shè)計采用計算機仿真技術(shù)對不同的設(shè)計方案迅速地進行模擬分析，并在電路形式確定以后，對電路的元件參數(shù)進行靈敏度分析和容差分析，從而優(yōu)化元件參數(shù)，保證設(shè)計質(zhì)量。所以，電路設(shè)計中采用計算機仿真技術(shù)，能極大的減少人工勞動，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本。目前，在電力電子裝置的研究中，越來越多的裝置采用計算機仿真技術(shù)。對于大功率的焊逆變電源來說，其工作環(huán)境和負載情況都非常惡劣，而采用的功率器件卻很昂貴，所以在焊接逆變電源的設(shè)計中采用計算機仿真技術(shù)就更具有*性。

2 計算機仿真技術(shù)

2.1 計算機仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　計算機仿真技術(shù)把現(xiàn)代仿真技術(shù)與計算機發(fā)展結(jié)合起來，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以計算機為工具，以數(shù)值計算為手段，對存在的或設(shè)想中的系統(tǒng)進行實驗研究［5］。在我國，自從20世紀50年代中期以來，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀80年代初開始，隨著微機的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在自動控制、電氣傳動、機械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

　　與傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法相比，計算機仿真的優(yōu)點是：①能提供整個計算機域內(nèi)所有有關(guān)變量完整詳盡的數(shù)據(jù)；②不用進行系統(tǒng)實驗；③可預(yù)測某特定工藝的變化過程和zui終結(jié)果，使人們對過程變化規(guī)律有深入的了解；④在測量方法有困難情況下是*的研究方法。此外，數(shù)字仿真還具有率、高精度和進行實際系統(tǒng)難以進行具有破壞性或危險性的實驗研究等優(yōu)點。

2.2 電力電子仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　仿真技術(shù)在電力電子電路方面的應(yīng)用，是其眾多應(yīng)用中很重要的一部分，成為開展這方面研究的*的重要工具。在電力電子電路的設(shè)計中，計算機仿真主要用于設(shè)計方案的驗證、系統(tǒng)性能的預(yù)測、新產(chǎn)品潛在問題的發(fā)現(xiàn)以及解決問題方法的評價等。它主要解決兩個問題，即如何建立電路方程和如何求解電路方程。

　　自20世紀70年代至今，電路仿真所用的分析方法主要有：狀態(tài)變量法、節(jié)點分析法、改進的節(jié)點分析法和狀態(tài)空間平均法等。這些建模方法各有優(yōu)點和不足，都有自己的使用范圍，在具體使用時，要根據(jù)具體目的采用相應(yīng)的方法建立具體的仿真模型。

　　對于開關(guān)型變換器這樣一個強非線性的時變系統(tǒng)，要準(zhǔn)確地分析其空間和動態(tài)性能往往是非常困難的。建立的數(shù)學(xué)模型一直是電力電子學(xué)領(lǐng)域的一個難題，通常只有假設(shè)一定的條件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范圍內(nèi)適用的數(shù)學(xué)模型，為分析和設(shè)計電路提供幫助。其建模通常有2種方法：①根據(jù)器件內(nèi)部載流子運動的物理規(guī)律建立物理－電氣模型；②根據(jù)器件外部行為建立等效宏模型［7］。

近十幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在電磁器件的建模方面做了大量工作，首先需要解決的問題是描述磁性材料磁化特性，其中比較實用的模型有物理含義明確的J－A模型和使用一般元器件模型構(gòu)造的宏模型。在磁性材料模型的基礎(chǔ)上，綜合運用法拉第、安培和高斯3大電磁定律，可以確定電磁器件的磁路模型。再根據(jù)電路與磁路的對耦原理，即可建立電磁器件的電路模型［7］。

總之，控制電路的建模、理論分析和計算機仿真技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而功率電子器件和電磁器件的實用仿真模型，特別是參數(shù)獲取技術(shù)有待進一步完善。

2.3 常用各種電路仿真軟件

　　常用的電路仿真軟件有Pspice， Saber， Simplis和MATLAB等。通常把電源電子仿真軟件分為兩種：側(cè)重于電路的仿真器和側(cè)重于方程求解的仿真器，其中PSPICE、Sabert和MATLAB分別是兩類仿真器的代表。

　　PSPICE是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是zui為強大，在國內(nèi)被普遍使用?，F(xiàn)在使用較多的是PSPICE 6.2，工作于Windows環(huán)境，占用硬盤空間20多兆。 PSPICE可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字電路。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)／模轉(zhuǎn)換等，都可以得到的仿真結(jié)果。對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。

　　MATLAB 5.2 于1998年由Mathworks 公司推出，其中新增加的Power System Blockset(PSB)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件、電機、電力電子器件、控制和測量環(huán)節(jié)以及三相元件庫等，再借助于其它模塊庫或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時可以觀察仿真的執(zhí)行過程。仿真結(jié)果在仿真結(jié)束時利用變量存儲在MATLAB的工作空間中。

PSPICE和PSB仿真軟件各有其應(yīng)用的優(yōu)勢，其版本也在不斷更新，其中PSB現(xiàn)在已經(jīng)推出6.1版本。PSB適用于中等規(guī)模電路的仿真以及變/定步長仿真算法的電路仿真。MATLAB/SIMULINK的強大運算能力對于仿真結(jié)果的后處理非常方便。PSPICE則適用于小規(guī)模系統(tǒng)元器件級的建模。若系統(tǒng)規(guī)模過大，則仿真執(zhí)行時間則會變得非常長［8］。

3 計算機仿真在焊接逆變電源中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　目前，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事等技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大的作用。前些年焊接技術(shù)研究人員開始把它引入到焊接電源中來，取得了一定的成就，但其研究還不是很深入，這方面的文獻也不是很多。

從現(xiàn)有文獻可以看出，弧焊逆變器中仿真技術(shù)應(yīng)用得比較成熟。這方面研究得zui早的是華理工大學(xué)，其承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目“弧焊逆變電源結(jié)構(gòu)、參數(shù)的計算機仿真與輔助設(shè)計”就是仿真技術(shù)在焊接設(shè)備中應(yīng)用的一個典型例子［9］。它借助功能強大的計算機，通過全面、系統(tǒng)及深入的定性和定量分析，描述并研究新一代弧焊逆變器各部分及核心部件的工作過程和動態(tài)響應(yīng)，發(fā)展逆變理論，解決國產(chǎn)弧焊逆變器的質(zhì)量和可靠性問題，進而實現(xiàn)弧焊逆變器的計算機輔助優(yōu)化設(shè)計，提高了我國機電產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)化和自動化水平。

　　常用的弧焊逆變電源仿真方法一般有兩種：一種方法是建立電路中各個元件模型，然后把它們連成電路進行仿真。如文獻［10］就是以PSPICE中現(xiàn)有的器件模型為基礎(chǔ)，先建立了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的組合模型，并以非線性電容來表征器件的寄生電容。然后采用所建立的模型，對雙端全橋零電壓零電流（FB-B-ZVZCS-PWM）軟開關(guān)變換器進行了計算機仿真，分析了器件的開關(guān)性能和變換器的能量傳輸性能，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果，證實了在建立合適的器件模型的基礎(chǔ)上，計算機仿真可以成為研究弧焊逆變電源的有效手段；另一種方法是把整個逆變電路看成一個整體進行仿真。可以根據(jù)弧焊逆變電源動態(tài)過程的特點，采用計算機仿真技術(shù)，通過建立控制系統(tǒng)的非線性模型，得到各種動態(tài)過程的直接描述，并進行仿真分析，為研究弧焊逆變器輸出電流的動態(tài)過程提供有效的手段。

　　仿真時總要涉及參數(shù)優(yōu)化問題，文獻［11］圍繞逆變電源主電路動態(tài)過程的設(shè)計問題，重點討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設(shè)計要點，定性和定量地探討了器件參數(shù)變化對主電路動態(tài)過程的影響，在仿真的基礎(chǔ)上實現(xiàn)計算機輔助優(yōu)化設(shè)計。深圳大學(xué)R>除此以外，有關(guān)人員［13］;對電弧焊逆變器的動態(tài)電弧模型進行了深入研究，成功地仿真出電弧的動態(tài)特性曲線圖，并分析了電弧動態(tài)特性圖與脈沖多折線的有機。由于電弧穩(wěn)定性的依據(jù)是控制器的穩(wěn)定性，因此從動特性圖上的穩(wěn)定性可以校對電源設(shè)計的正確性。

　　變壓器是電焊機的心臟，是屬于低電壓、大電流功率器件。其性能好壞，直接影響焊機焊接質(zhì)量。文獻［14］對交流弧焊變壓器的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)進行了研究，把弧焊變壓器的設(shè)計分割成六個部分分別進行設(shè)計，然后再綜合在一起，即采用總－分－總的設(shè)計方案，不僅提高了計算精度和速度，而且也減輕了設(shè)計者的勞動強度及降低設(shè)計成本。另外，對于變壓器偏磁引起的電路磁飽和及逆變顛覆問題，研究人員［15］通過對全橋逆變電路變壓器磁飽和原理的研究，提出了采用雙環(huán)反饋控制法解決該問題的方案。經(jīng)過電路設(shè)計、仿真和波形分析,從實驗的角度證明了該方案的可行性和有效性。

　　仿真技術(shù)在逆變電阻焊機中也得到了一定的應(yīng)用。從事這方面工作的主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)和其它一些研究所、高校，他們對逆變電阻焊機的電路進行了仿真、分析，并進行了電路的設(shè)計，從而降低了研制成本，提高了焊機效率。至于在其它方面的應(yīng)用情況相對來說比較零散，綜合性不太強，現(xiàn)在見到的也還不是很多。

　　所以從總體上看，計算機仿真技術(shù)在焊接電源領(lǐng)域?qū)儆谛率挛?，其進一步發(fā)展尚需時間。

4 存在的問題和未來發(fā)展方向

　　從前面的介紹可以看出，計算機仿真技術(shù)被引入到焊接電源領(lǐng)域以后，發(fā)展速度很快，對焊接設(shè)備主電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計、參數(shù)的優(yōu)化起了很大的作用。大大降低了設(shè)計成本，縮短了設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品的可靠性，顯示了旺盛的生命力。但是，不可否認，由于焊接電源本身的特殊性，當(dāng)前與計算機仿真技術(shù)的結(jié)合還存在下述問題：

（1）焊接電源系統(tǒng)是一個強電和弱電相結(jié)合的強非線性系統(tǒng)，其中電和磁的相互作用非常復(fù)雜，不易理解。對于這樣一個系統(tǒng)很難找到一個數(shù)學(xué)方程來加以描述，因此不容易用傳遞函數(shù)從整體上對其加以仿真。所以，現(xiàn)有的仿真大多集中于其具體的內(nèi)部電路部分仿。這樣，不便于檢驗已進行完仿真設(shè)計系統(tǒng)的整體效果。

（2）元器件模型的精度對zui終仿真結(jié)果影響很大，因此建立的元件模型至關(guān)重要。而在焊接電源電路中包括大量的非線性大功率開關(guān)元件和電磁器件，正如前面第二部分所指出那樣，對于大功率元件和電磁元件，其建模與參數(shù)提取一直是難點，有待于進一步完善。因此，若不能解決該項瓶頸技術(shù)，要想讓已仿真完成的電路應(yīng)用于實際電路之中顯然是不太現(xiàn)實的。

（3）焊接電源是焊機的一個關(guān)鍵部分，但若想開發(fā)一臺高性能、高可靠性的焊機，其它輔助部分如驅(qū)動電路以及保護電路部分也是不可忽視的，而現(xiàn)在的仿真研究很少把它們看作一個整體加以進行。因此，這方面有待加強。

（4）焊機的種類多種多樣，有弧焊機、電阻焊機、激光焊機、等離子焊機等，造成其焊接電源的主電路部分也各不相同。這樣，就帶來了具體設(shè)計電源時的電路選擇問題。

總之，筆者認為上述四項問題的解決關(guān)系到焊接電源仿真技術(shù)能否真正得到推廣，而如何解決這些問題則是未來相當(dāng)一段時間內(nèi)的研究方向，一旦這些問題得到妥善解決，則不難想像其未來的廣闊前景。我們期待著我國焊接設(shè)備技術(shù)早日達到*水平。