計算機仿真技術(shù)在逆變焊接電源中的應用

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，包括電力系統網(wǎng)絡(luò )元件、電機、電力電子器件、控制和測量環(huán)節以及三相元件庫等，再借助于其它模塊庫或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統的仿真計算，可以實(shí)現復雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀(guān)察仿真的執行過(guò)程。仿真結果在仿真結束時(shí)利用變量存儲在MATLAB的工作空間中。

PSPICE和PSB仿真軟件各有其應用的優(yōu)勢，其版本也在不斷更新，其中PSB現在已經(jīng)推出6.1版本。PSB適用于中等規模電路的仿真以及變/定步長(cháng)仿真算法的電路仿真。

MATLAB/SIMULINK的強大運算能力對于仿真結果的后處理非常方便。PSPICE則適用于小規模系統元器件級的建模。若系統規模過(guò)大，則仿真執行時(shí)間則會(huì )變得非常長(cháng)。

3計算機仿真在焊接逆變電源中的應用現狀

目前，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于航空、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(kāi)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，這方面的文獻也不是很多。
從現有文獻可以看出，弧焊逆變器中仿真技術(shù)應用得比較成熟。這方面研究得最早的是華理工大學(xué)，其承擔的國家自然科學(xué)基金項目“弧焊逆變電源結構、參數的計算機仿真與輔助設計”就是仿真技術(shù)在焊接設備中應用的一個(gè)典型例子。它借助功能強大的計算機，通過(guò)全面、系統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(guò)程和動(dòng)態(tài)響應，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(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現弧焊逆變器的計算機輔助優(yōu)化設計，提高了我國機電產(chǎn)品設計的科學(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。如文獻就是以PSPICE中現有的器件模型為基礎，先建立了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的組合模型，并以非線(xiàn)性電容來(lái)表征器件的寄生電容。然后采用所建立的模型，對雙端全橋零電壓零電流（FB-B-ZVZCS-PWM）軟開(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行了計算機仿真，分析了器件的開(kāi)關(guān)性能和變換器的能量傳輸性能，并通過(guò)試驗驗證了仿真結果，證實(shí)了在建立合適的器件模型的基礎上，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(gè)逆變電路看成一個(gè)整體進(jìn)行仿真?？梢愿鶕『改孀冸娫磩?dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，采用計算機仿真技術(shù)，通過(guò)建立控制系統的非線(xiàn)性模型，得到各種動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程提供有效的手段。

仿真時(shí)總要涉及參數優(yōu)化問(wèn)題，文獻圍繞逆變電源主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的設計問(wèn)題，重點(diǎn)討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設計要點(diǎn)，定性和定量地探討了器件參數變化對主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，在仿真的基礎上實(shí)現計算機輔助優(yōu)化設計。深圳大學(xué)R>除此以外，有關(guān)人員;對電弧焊逆變器的動(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(xiàn)圖，并分析了電弧動(dòng)態(tài)特性圖與脈沖多折線(xiàn)的有機聯(lián)系。由于電弧穩定性的依據是控制器的穩定性，因此從動(dòng)特性圖上的穩定性可以校對電源設計的正確性。

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］對交流弧焊變壓器的計算機輔助設計系統進(jìn)行了研究，把弧焊變壓器的設計分割成六個(gè)部分分別進(jìn)行設計，然后再綜合在一起，即采用總－分－總的設計方案，不僅提高了計算精度和速度，而且也減輕了設計者的勞動(dòng)強度及降低設計成本。另外，對于變壓器偏磁引起的電路磁飽和及逆變顛覆問(wèn)題，研究人員通過(guò)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(wèn)題的方案。經(jīng)過(guò)電路設計、仿真和波形分析,從實(shí)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(jìn)行了仿真、分析，并進(jìn)行了電路的設計，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用情況相對來(lái)說(shuō)比較零散，綜合性不太強，現在見(jiàn)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)域屬于新事物，其進(jìn)一步發(fā)展尚需時(shí)間。

4存在的問(wèn)題和未來(lái)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，對焊接設備主電路結構的設計、參數的優(yōu)化起了很大的作用。大大降低了設計成本，縮短了設計周期，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，當前與計算機仿真技術(shù)的結合還存在下述問(wèn)題：

（1）焊接電源系統是一個(gè)強電和弱電相結合的強非線(xiàn)性系統，其中電和磁的相互作用非常復雜，不易理解。對于這樣一個(gè)系統很難找到一個(gè)數學(xué)方程來(lái)加以描述，因此不容易用傳遞函數從整體上對其加以仿真。所以，現有的仿真大多集中于其具體的內部電路部分仿。這樣，不便于檢驗已進(jìn)行完仿真設計系統的整體效果。
（2）元器件模型的精度對最終仿真結果影響很大，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(xiàn)性大功率開(kāi)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，若不能解決該項瓶頸技術(shù)，要想讓已仿真完成的電路應用于實(shí)際電路之中顯然是不太現實(shí)的。
（3）焊接電源是焊機的一個(gè)關(guān)鍵部分，但若想開(kāi)發(fā)一臺高性能、高可靠性的焊機，其它輔助部分如驅動(dòng)電路以及保護電路部分也是不可忽視的，而現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。
（4）焊機的種類(lèi)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(lái)了具體設計電源時(shí)的電路選擇問(wèn)題。

總之，筆者認為上述四項問(wèn)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(wèn)題則是未來(lái)相當一段時(shí)間內的研究方向，一旦這些問(wèn)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(zhù)我國焊接設備技術(shù)早日達到世界先進(jìn)水平。