計算機仿真技術在逆變焊接電源中的應用

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)，集成電路技術和控制技術的發(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，動態(tài)響應快，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，并以此作為技術水平的標志之一

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”，其在焊接設備中的應用為焊接設備的發(fā)展帶來了革命性的變化。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)反應速度快的優(yōu)勢，其動態(tài)反應速度比傳統(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。這些都預示著逆變焊接電源有著廣泛的應用前景和市場潛力。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。

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、哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學和時代公司等單位相繼推出了采用各種開關元件的逆變式焊機?，F(xiàn)在，我國逆變焊機電源已形成4代產(chǎn)品：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；第三代是場效應管逆變器；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。

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計方法和手段。

近幾年來，電路分析和設計的方法由于采用計算機仿真技術而得到飛速發(fā)展。電路設計采用計算機仿真技術對不同的設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)，保證設計質量。所以，電路設計中采用計算機仿真技術，能極大的減少人工勞動，縮短設計周期，降低設計成本。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。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計中采用計算機仿真技術就更具有優(yōu)越性。

2計算機仿真技術

2.1計算機仿真技術發(fā)展現(xiàn)狀

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

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所有有關變量完整詳盡的數(shù)據(jù)；②不用進行系統(tǒng)實驗；③可預測某特定工藝的變化過程和最終結果，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BR>2.2電力電子仿真技術研究現(xiàn)狀

仿真技術在電力電子電路方面的應用，是其眾多應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計中，計算機仿真主要用于設計方案的驗證、系統(tǒng)性能的預測、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)具體目的采用相應的方法建立具體的仿真模型。

對于開關型變換器這樣一個強非線性的時變系統(tǒng)，要準確地分析其空間和動態(tài)性能往往是非常困難的。建立精確的數(shù)學模型一直是電力電子學領域的一個難題，通常只有假設一定的條件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范圍內適用的數(shù)學模型，為分析和設計電路提供幫助。其建模通常有2種方法：①根據(jù)器件內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。

近十幾年來，國內外許多學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造的宏模型。在磁性材料模型的基礎上，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。

總之，控制電路的建模、理論分析和計算機仿真技術已經(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：側重于電路的仿真器和側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，它的功能可以說是最為強大，在國內被普遍使用?，F(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、脈寬調制電路、模／數(shù)轉換、數(shù)／模轉換等，都可以得到精確的仿真結果。對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。