计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用.pdf

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1、计 算 机 仿 真 技 术 在 逆 变 焊 接 电 源 中 的 应 用、，一,、.刖 g焊 接 电 源 的 制 造 已 有 100多 年 的 发 展 历 史，进 入 2 0世 纪 6 0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

2、、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

3、 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%3 0%,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 1/1 0,减 少 材 料 消 耗 80%90%。特 别 是 逆 变 式 焊 接 电 源 有 着 动 态 反 应

4、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。目 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%o其 它 工 业 发 达 国 家 逆 变 焊 接 电 源 的 发 展

5、速 度 也 是 很 快 的。我 国 逆 变 焊 机 的 研 究 开 发 起 步 于 2 0世 纪 7 0年 代 末 期，于 2 0世 纪 8 0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

6、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 S C R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

7、 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

8、，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

9、。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 2 0世 纪 5 0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 2 0世 纪 8 0年 代 初 开 始，随 着 微 机

10、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 O与 传 统 的 经 验 方 法 相 比，计 算 机 仿 真 的 优 点 是：能 提 供 整 个 计 算 机 域 内 所 有 有 关 变 量 完 整 详 尽 的 数 据；不 用 进 行 系 统 实 验；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；在 测 量 方 法 有 困 难 情 况 下 是 唯 一 的 研 究 方 法。止 匕 外，数

11、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。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

12、 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 2 0世 纪 7 0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 一，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

13、 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：根 据 器 件 内 部 载 流 子 运 动 的 物 理 规 律 建 立 物 理 一 电 气 模 型；根 据 器 件 外 部 行 为 建 立

14、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

15、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,Sim plis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、Sabe

16、rt和 MATLAB分 别 是 两 类 仿 真 器 的 代 表。PSPIC E是 较 早 出 现 的 E D A软 件 之 一，由 M ICROSIM公 司 于 1 9 8 5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 W indows环 境，占 用 硬 盘 空 间 2 0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

17、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 己 编 辑。MATLAB 5.2 于 1998年 由 M athw orks公 司 推 出，其 中 新 增 加 的 Power SystemBlockset(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

18、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 S im ulink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 M ATLAB的 工 作 空 间 中。P S PIC E和 P S B 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。P S B适 用

19、 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

20、 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

21、 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

22、 各 个 元 件 模 型，然 后 把 它 们 连 成 电 路 进 行 仿 真。如 文 献 10 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(1GBT)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

23、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

24、真 时 总 要 涉 及 参 数 优 化 问 题，文 献 11 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 13;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

25、 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 14 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

26、设 计，然 后 再 综 合 在 一 起，即 采 用 总 一 分 一 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 15 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

27、 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

28、 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

29、 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

30、。(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-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

31、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。