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。從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)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(jī)的發(fā)展也充分說明這一點(diǎn)。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)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(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(yīng)速度快的優(yōu)勢，其動態(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，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動化和智能控制。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)國家逆變焊接電源的發(fā)展速度也是很快的。

我國逆變焊機(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(xiàng)目的部級鑒定。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)。現(xiàn)在，我國逆變焊機(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，無噪聲，與前3代逆變器相比，優(yōu)勢更明顯。

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，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，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，越來越多的裝置采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。對于大功率的焊逆變電源來說，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，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，對存在的或設(shè)想中的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在我國，自從20世紀(jì)50年代中期以來，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)在自動控制、電氣傳動、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)測某特定工藝的變化過程和最終結(jié)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(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、新產(chǎn)品潛在問題的發(fā)現(xiàn)以及解決問題方法的評價(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(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，它的功能可以說是最為強(qiáng)大，在國內(nèi)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(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。無論對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。對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。