计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用

0 前 言 
      焊接电源的制造已有一百多年的发展历史，进入20世纪60年代之后，硅整流元件、大功率晶体管(GTR)、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等器件的相继出现，集成电路技术和控制技术的发展，为电子焊接电源的发展提供了更广阔的空间，其中最引人注目的是逆变焊接电源。 
      逆变焊接电源体积小、重量轻、节能省材，而且控制性能好，动态响应快，易于实现焊接过程的实时控制，在性能上具有很大的潜在优势。从长远观点来看，逆变焊接电源是焊接电源的发展方向，国外逆变焊机的发展也充分说明这一点。目前在工业发达国家，手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊已经广泛采用逆变电源。世界上几家主要焊机制造厂商都已经完成了逆变焊机产品系列化，并以此作为技术水平的标志之一 
1 焊接逆变电源的发展现状 
      逆变电源被称为“明天的电源”，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。首先，逆变式焊接电源与工频焊接电源比节能20%～30%，效率可达80%～90%；其次，逆变式焊接电源体积小、重量轻，整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1/5～1/10，减少材料消耗80%～90%。特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势，其动态反应速度比传统工频整流焊接电源提高了2～3个数量级，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。这些都预示着逆变焊接电源有着广泛的应用前景和市场潜力。前，日本松下公司、大阪变压器公司的电弧焊机中，逆变焊机都超过了50%。美国的主要焊机生产厂家生产的逆变焊机已经超过了30%。其它工业发达国家逆变焊接电源的发展速度也是很快的。
      我国逆变焊机的研究开发起步于20世纪70年代末期，于20世纪80年代开始发展。1982年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我国第1台商品化的ZX7-250逆变式弧焊电源，并通过了该项目的部级鉴定。随后，清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。现在，我国逆变焊机电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主功率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。 
      逆变焊机发展的广阔前景吸引了众多大专院校和研究所。但是由于逆变焊接电源强电和弱电相结合，在研制时采用传统的试验方法不但要消耗大量的人力、物力和时间，且有些问题是试验方法难以发现和解决的。因此需要提出新的设计方法和手段。 
      近几年来，电路分析和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。电路设计采用计算机仿真技术对不同的设计方案迅速地进行模拟分析，并在电路形式确定以后，对电路的元件参数进行灵敏度分析和容差分析，从而优化元件参数，保证设计质量。所以，电路设计中采用计算机仿真技术，能极大的减少人工劳动，缩短设计周期，降低设计成本。目前，在电力电子装置的研究中，越来越多的装置采用计算机仿真技术。对于大功率的焊逆变电源来说，其工作环境和负载情况都非常恶劣，而采用的功率器件却很昂贵，所以在焊接逆变电源的设计中采用计算机仿真技术就更具有优越性。 
2 计算机仿真技术 
2.1 计算机仿真技术发展现状 
      计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用。 
      与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是：①能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据；②不用进行系统实验；③可预测某特定工艺的变化过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解；④在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度和进行实际系统难以进行具有破坏性或危险性的实验研究等优点BR>2.2 电力电子仿真技术研究现状 
仿真技术在电力电子电路方面的应用，是其众多应用中很重要的一部分，成为开展这方面研究的必不可少的重要工具。在电力电子电路的设计中，计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。它主要解决两个问题，即如何建立电路方程和如何求解电路方程。 
      自20世纪70年代至今，电路仿真所用的分析方法主要有：状态变量法、节点分析法、改进的节点分析法和状态空间平均法等。这些建模方法各有优点和不足，都有自己的使用范围，在具体使用时，要根据具体目的采用相应的方法建立具体的仿真模型。 
      对于开关型变换器这样一个强非线性的时变系统，要准确地分析其空间和动态性能往往是非常困难的。建立精确的数学模型一直是电力电子学领域的一个难题，通常只有假设一定的条件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范围内适用的数学模型，为分析和设计电路提供帮助。其建模通常有2种方法：①根据器件内部载流子运动的物理规律建立物理－电气模型；②根据器件外部行为建立等效宏模型。 
      近十几年来，国内外许多学者在电磁器件的建模方面做了大量工作，首先需要解决的问题是描述磁性材料磁化特性，其中比较实用的模型有物理含义明确的J－A模型和使用一般元器件模型构造的宏模型。在磁性材料模型的基础上，综合运用法拉第、安培和高斯3大电磁定律，可以确定电磁器件的磁路模型。再根据电路与磁路的对耦原理，即可建立电磁器件的电路模型。 
总之，控制电路的建模、理论分析和计算机仿真技术已经比较成熟，而功率电子器件和电磁器件的实用仿真模型，特别是参数获取技术有待进一步完善。 
2.3 常用各种电路仿真软件 
      常用的电路仿真软件有Pspice， Saber， Simplis和MATLAB等。通常把电源电子仿真软件分为两种：侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器，其中PSPICE、Sabert和MATLAB分别是两类仿真器的代表。 
      PSPICE是较早出现的EDA软件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。现在使用较多的是PSPICE 6.2，工作于Windows环境，占用硬盘空间20多兆。 PSPICE可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内同时显示模拟与数字电路。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模／数转换、数／模转换等，都可以得到精确的仿真结果。对于库中没有的元器件模块，还可以自已编辑。 
      MATLAB 5.2 于1998年由Mathworks 公司推出，其中新增加的Power System Blockset(PSB)含有在一定使用条件下的元件模型，包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等，再借助于其它模块库或工具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程。仿真结果在仿真结束时利用变量存储在MATLAB的工作空间中。 
      PSPICE和PSB仿真软件各有其应用的优势，其版本也在不断更新，其中PSB现在已经推出6.1版本。PSB适用于中等规模电路的仿真以及变/定步长仿真算法的电路仿真。 
      MATLAB/SIMULINK的强大运算能力对于仿真结果的后处理非常方便。PSPICE则适用于小规模系统元器件级的建模。若系统规模过大，则仿真执行时间则会变得非常长。 
3 计算机仿真在焊接逆变电源中的应用现状 
      目前，计算机仿真技术已经广泛应用于航空、航天、军事等尖端技术领域，发挥了巨大的作用。前些年焊接技术研究人员开始把它引入到焊接电源中来，取得了一定的成就，但其研究还不是很深入，这方面的文献也不是很多。 
      从现有文献可以看出，弧焊逆变器中仿真技术应用得比较成熟。这方面研究得最早的是华理工大学，其承担的国家自然科学基金项目“弧焊逆变电源结构、参数的计算机仿真与辅助设计”就是仿真技术在焊接设备中应用的一个典型例子。它借助功能强大的计算机，通过全面、系统及深入的定性和定量分析，描述并研究新一代弧焊逆变器各部分及核心部件的工作过程和动态响应，发展逆变理论，解决国产弧焊逆变器的质量和可靠性问题，进而实现弧焊逆变器的计算机辅助优化设计，提高了我国机电产品设计的科学化和自动化水平。 
      常用的弧焊逆变电源仿真方法一般有两种：一种方法是建立电路中各个元件模型，然后把它们连成电路进行仿真。如文献就是以PSPICE中现有的器件模型为基础，先建立了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的组合模型，并以非线性电容来表征器件的寄生电容。然后采用所建立的模型，对双端全桥零电压零电流（FB-B-ZVZCS-PWM）软开关变换器进行了计算机仿真，分析了器件的开关性能和变换器的能量传输性能，并通过试验验证了仿真结果，证实了在建立合适的器件模型的基础上，计算机仿真可以成为研究弧焊逆变电源的有效手段；另一种方法是把整个逆变电路看成一个整体进行仿真。可以根据弧焊逆变电源动态过程的特点，采用计算机仿真技术，通过建立控制系统的非线性模型，得到各种动态过程的直接描述，并进行仿真分析，为研究弧焊逆变器输出电流的动态过程提供有效的手段。 
      仿真时总要涉及参数优化问题，文献围绕逆变电源主电路动态过程的设计问题，重点讨论了功率脉冲变压器及其缓冲电路的设计要点，定性和定量地探讨了器件参数变化对主电路动态过程的影响，在仿真的基础上实现计算机辅助优化设计。深圳大学R>除此以外，有关人员;对电弧焊逆变器的动态电弧模型进行了深入研究，成功地仿真出电弧的动态特性曲线图，并分析了电弧动态特性图与脉冲多折线的有机联系。由于电弧稳定性的依据是控制器的稳定性，因此从动特性图上的稳定性可以校对电源设计的正确性。 
      变压器是电焊机的心脏，是属于低电压、大电流功率器件。其性能好坏，直接影响焊机焊接质量。文献］对交流弧焊变压器的计算机辅助设计系统进行了研究，把弧焊变压器的设计分割成六个部分分别进行设计，然后再综合在一起，即采用总－分－总的设计方案，不仅提高了计算精度和速度，而且也减轻了设计者的劳动强度及降低设计成本。另外，对于变压器偏磁引起的电路磁饱和及逆变颠覆问题，研究人员通过对全桥逆变电路变压器磁饱和原理的研究，提出了采用双环反馈控制法解决该问题的方案。经过电路设计、仿真和波形分析,从实验的角度证明了该方案的可行性和有效性。 
      仿真技术在逆变电阻焊机中也得到了一定的应用。从事这方面工作的主要有哈尔滨工业大学和其它一些研究所、高校，他们对逆变电阻焊机的电路进行了仿真、分析，并进行了电路的设计，从而降低了研制成本，提高了焊机效率。至于在其它方面的应用情况相对来说比较零散，综合性不太强，现在见到的也还不是很多。 
      所以从总体上看，计算机仿真技术在焊接电源领域属于新事物，其进一步发展尚需时间。 
4 存在的问题和未来发展方向 
      从前面的介绍可以看出，计算机仿真技术被引入到焊接电源领域以后，发展速度很快，对焊接设备主电路结构的设计、参数的优化起了很大的作用。大大降低了设计成本，缩短了设计周期，提高了产品的可靠性，显示了旺盛的生命力。但是，不可否认，由于焊接电源本身的特殊性，当前与计算机仿真技术的结合还存在下述问题： 
（1）焊接电源系统是一个强电和弱电相结合的强非线性系统，其中电和磁的相互作用非常复杂，不易理解。对于这样一个系统很难找到一个数学方程来加以描述，因此不容易用传递函数从整体上对其加以仿真。所以，现有的仿真大多集中于其具体的内部电路部分仿。这样，不便于检验已进行完仿真设计系统的整体效果。 
（2）元器件模型的精度对最终仿真结果影响很大，因此建立精确的元件模型至关重要。而在焊接电源电路中包括大量的非线性大功率开关元件和电磁器件，正如前面第二部分所指出那样，对于大功率元件和电磁元件，其建模与参数提取一直是难点，有待于进一步完善。因此，若不能解决该项瓶颈技术，要想让已仿真完成的电路应用于实际电路之中显然是不太现实的。 
（3）焊接电源是焊机的一个关键部分，但若想开发一台高性能、高可靠性的焊机，其它辅助部分如驱动电路以及保护电路部分也是不可忽视的，而现在的仿真研究很少把它们看作一个整体加以进行。因此，这方面有待加强。 
（4）焊机的种类多种多样，有弧焊机、电阻焊机、激光焊机、等离子焊机等，造成其焊接电源的主电路部分也各不相同。这样，就带来了具体设计电源时的电路选择问题。 
      总之，笔者认为上述四项问题的解决关系到焊接电源仿真技术能否真正得到推广，而如何解决这些问题则是未来相当一段时间内的研究方向，一旦这些问题得到妥善解决，则不难想像其未来的广阔前景。我们期待着我国焊接设备技术早日达到世界先进水平。