計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在逆變焊接電源中的應(yīng)用

前言

焊接電源的制造已有一百多年的發(fā)展歷史，進(jìn)入20世紀(jì)60年代之后，硅整流元件、大功率晶體管(GTR)、場(chǎng)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，其中最引人注目的是逆變焊接電源。

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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時(shí)控制，在性能上具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)來(lái)看，逆變焊接電源是焊接電源的發(fā)展方向，國(guó)外逆變焊機(jī)的發(fā)展也充分說(shuō)明這一點(diǎn)。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)制造廠商都已經(jīng)完成了逆變焊機(jī)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(lái)了革命性的變化。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(dá)80～90；其次，逆變式焊接電源體積小、重量輕，整機(jī)重量?jī)H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(dòng)態(tài)反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，其動(dòng)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(gè)數(shù)量級(jí)，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)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(chǎng)潛力。前，日本松下公司、大阪變壓器公司的電弧焊機(jī)中，逆變焊機(jī)都超過了50。美國(guó)的主要焊機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的逆變焊機(jī)已經(jīng)超過了30。其它工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家逆變焊接電源的發(fā)展速度也是很快的。

我國(guó)逆變焊機(jī)的研究開發(fā)起步于20世紀(jì)70年代末期，于20世紀(jì)80年代開始發(fā)展。1982年，成都電焊機(jī)研究所開始了對(duì)晶閘管逆變式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我國(guó)第1臺(tái)商品化的ZX7-250逆變式弧焊電源，并通過了該項(xiàng)目的部級(jí)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(shí)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(jī)?，F(xiàn)在，我國(guó)逆變焊機(jī)電源已形成4代產(chǎn)品：第一代是以可控硅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(chǎng)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(wú)噪聲，與前3代逆變器相比，優(yōu)勢(shì)更明顯。

逆變焊機(jī)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(qiáng)電和弱電相結(jié)合，在研制時(shí)采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法不但要消耗大量的人力、物力和時(shí)間，且有些問題是試驗(yàn)方法難以發(fā)現(xiàn)和解決的。因此需要提出新的設(shè)計(jì)方法和手段。

近幾年來(lái)，電路分析和設(shè)計(jì)的方法由于采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)而得到飛速發(fā)展。電路設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案迅速地進(jìn)行模擬分析，并在電路形式確定以后，對(duì)電路的元件參數(shù)進(jìn)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(jì)質(zhì)量。所以，電路設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能極大的減少人工勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。目前，在電力電子裝置的研究中，越來(lái)越多的裝置采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。對(duì)于大功率的焊逆變電源來(lái)說(shuō)，其工作環(huán)境和負(fù)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(jì)中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就更具有優(yōu)越性。

2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

2.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)把現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)發(fā)展結(jié)合起來(lái)，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以計(jì)算機(jī)為工具，以數(shù)值計(jì)算為手段，對(duì)存在的或設(shè)想中的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在我國(guó)，自從20世紀(jì)50年代中期以來(lái)，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀(jì)80年代初開始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、機(jī)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(yàn)方法相比，計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)點(diǎn)是：①能提供整個(gè)計(jì)算機(jī)域內(nèi)所有有關(guān)變量完整詳盡的數(shù)據(jù)；②不用進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；③可預(yù)測(cè)某特定工藝的變化過程和最終結(jié)果，使人們對(duì)過程變化規(guī)律有深入的了解；④在測(cè)量方法有困難情況下是唯一的研究方法。此外，數(shù)字仿真還具有高效率、高精度和進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)難以進(jìn)行具有破壞性或危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)研究等優(yōu)點(diǎn)BR>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必不可少的重要工具。在電力電子電路的設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)仿真主要用于設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證、系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)、新產(chǎn)品潛在問題的發(fā)現(xiàn)以及解決問題方法的評(píng)價(jià)等。它主要解決兩個(gè)問題，即如何建立電路方程和如何求解電路方程。

自20世紀(jì)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(diǎn)分析法、改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)分析法和狀態(tài)空間平均法等。這些建模方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足，都有自己的使用范圍，在具體使用時(shí)，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(duì)于開關(guān)型變換器這樣一個(gè)強(qiáng)非線性的時(shí)變系統(tǒng)，要準(zhǔn)確地分析其空間和動(dòng)態(tài)性能往往是非常困難的。建立精確的數(shù)學(xué)模型一直是電力電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)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。

近十幾年來(lái)，國(guó)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(shí)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(yùn)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(duì)耦原理，即可建立電磁器件的電路模型。

總之，控制電路的建模、理論分析和計(jì)算機(jī)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(shí)用仿真模型，特別是參數(shù)獲取技術(shù)有待進(jìn)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(shuō)是最為強(qiáng)大，在國(guó)內(nèi)被普遍使用。現(xiàn)在使用較多的是 PSPICE6.2，工作于Windows環(huán)境，占用硬盤空間20多兆。PSPICE可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)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(gè)窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字電路。無(wú)論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)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，都可以得到精確的仿真結(jié)果。對(duì)于庫(kù)中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。[!--empirenews.page--]

MATLAB5.2于1998年由Mathworks公司推出，其中新增加的PowerSystemBlockset(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(jī)、電力電子器件、控制和測(cè)量環(huán)節(jié)以及三相元件庫(kù)等，再借助于其它模塊庫(kù)或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀察仿真的執(zhí)行過程。仿真結(jié)果在仿真結(jié)束時(shí)利用變量存儲(chǔ)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(shì)，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(zhǎng)仿真算法的電路仿真。

MATLAB/SIMULINK的強(qiáng)大運(yùn)算能力對(duì)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(jí)的建模。若系統(tǒng)規(guī)模過大，則仿真執(zhí)行時(shí)間則會(huì)變得非常長(zhǎng)。

3計(jì)算機(jī)仿真在焊接逆變電源中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事等尖端技術(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(lái)，取得了一定的成就，但其研究還不是很深入，這方面的文獻(xiàn)也不是很多。
從現(xiàn)有文獻(xiàn)可以看出，弧焊逆變器中仿真技術(shù)應(yīng)用得比較成熟。這方面研究得最早的是華理工大學(xué)，其承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“弧焊逆變電源結(jié)構(gòu)、參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)”就是仿真技術(shù)在焊接設(shè)備中應(yīng)用的一個(gè)典型例子。它借助功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)展逆變理論，解決國(guó)產(chǎn)弧焊逆變器的質(zhì)量和可靠性問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)弧焊逆變器的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)化和自動(dòng)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(gè)元件模型，然后把它們連成電路進(jìn)行仿真。如文獻(xiàn)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(lái)表征器件的寄生電容。然后采用所建立的模型，對(duì)雙端全橋零電壓零電流（FB-B-ZVZCS-PWM）軟開關(guān)變換器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)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(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果，證實(shí)了在建立合適的器件模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)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(gè)逆變電路看成一個(gè)整體進(jìn)行仿真?？梢愿鶕?jù)弧焊逆變電源動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)過程的直接描述，并進(jìn)行仿真分析，為研究弧焊逆變器輸出電流的動(dòng)態(tài)過程提供有效的手段。

仿真時(shí)總要涉及參數(shù)優(yōu)化問題，文獻(xiàn)圍繞逆變電源主電路動(dòng)態(tài)過程的設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，定性和定量地探討了器件參數(shù)變化對(duì)主電路動(dòng)態(tài)過程的影響，在仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。深圳大學(xué)R>除此以外，有關(guān)人員;對(duì)電弧焊逆變器的動(dòng)態(tài)電弧模型進(jìn)行了深入研究，成功地仿真出電弧的動(dòng)態(tài)特性曲線圖，并分析了電弧動(dòng)態(tài)特性圖與脈沖多折線的有機(jī)聯(lián)系。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(dòng)特性圖上的穩(wěn)定性可以校對(duì)電源設(shè)計(jì)的正確性。

變壓器是電焊機(jī)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(jī)焊接質(zhì)量。文獻(xiàn)］對(duì)交流弧焊變壓器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，把弧焊變壓器的設(shè)計(jì)分割成六個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再綜合在一起，即采用總－分－總的設(shè)計(jì)方案，不僅提高了計(jì)算精度和速度，而且也減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度及降低設(shè)計(jì)成本。另外，對(duì)于變壓器偏磁引起的電路磁飽和及逆變顛覆問題，研究人員通過對(duì)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(jì)、仿真和波形分析,從實(shí)驗(yàn)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(jī)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(duì)逆變電阻焊機(jī)的電路進(jìn)行了仿真、分析，并進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)，從而降低了研制成本，提高了焊機(jī)效率。至于在其它方面的應(yīng)用情況相對(duì)來(lái)說(shuō)比較零散，綜合性不太強(qiáng)，現(xiàn)在見到的也還不是很多。

所以從總體上看，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在焊接電源領(lǐng)域?qū)儆谛率挛?，其進(jìn)一步發(fā)展尚需時(shí)間。

4存在的問題和未來(lái)發(fā)展方向

從前面的介紹可以看出，計(jì)算機(jī)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(duì)焊接設(shè)備主電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、參數(shù)的優(yōu)化起了很大的作用。大大降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)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(rèn)，由于焊接電源本身的特殊性，當(dāng)前與計(jì)算機(jī)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(gè)強(qiáng)電和弱電相結(jié)合的強(qiáng)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(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)很難找到一個(gè)數(shù)學(xué)方程來(lái)加以描述，因此不容易用傳遞函數(shù)從整體上對(duì)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(yàn)已進(jìn)行完仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體效果。
（2）元器件模型的精度對(duì)最終仿真結(jié)果影響很大，因此建立精確的元件模型至關(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(duì)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(diǎn)，有待于進(jìn)一步完善。因此，若不能解決該項(xiàng)瓶頸技術(shù)，要想讓已仿真完成的電路應(yīng)用于實(shí)際電路之中顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。
（3）焊接電源是焊機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部分，但若想開發(fā)一臺(tái)高性能、高可靠性的焊機(jī)，其它輔助部分如驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)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(gè)整體加以進(jìn)行。因此，這方面有待加強(qiáng)。
（4）焊機(jī)的種類多種多樣，有弧焊機(jī)、電阻焊機(jī)、激光焊機(jī)、等離子焊機(jī)等，造成其焊接電源的主電路部分也各不相同。這樣，就帶來(lái)了具體設(shè)計(jì)電源時(shí)的電路選擇問題。

總之，筆者認(rèn)為上述四項(xiàng)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(lái)相當(dāng)一段時(shí)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(lái)的廣闊前景。我們期待著我國(guó)焊接設(shè)備技術(shù)早日達(dá)到世界先進(jìn)水平。