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焊接電源的制造已有一百多年的發展歷史，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，集成電路技術和控制技術的發展，為電子焊接電源的發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、節能省材，而且控制性能好，動態響應快，易于實現焊接過程的實時控制，在性能上具有很大的潛在優勢。從長遠觀點來看，逆變焊接電源是焊接電源的發展方向，國外逆變焊機的發展也充分說明這一點。目前在工業發達國家，手工電弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊已經廣泛采用逆變電源。世界上幾家主要焊機制造廠商都已經完成了逆變焊機產品系列化，并以此作為技術水平的標志之一。 1 焊接逆變電源的發展現狀 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反應速度快的優勢，其動態反應速度比傳統工頻整流焊接電源提高了2～3個數量級，有利于實現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。目前，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廠家生產的逆變焊機已經超過了30%。其它工業發達國家逆變焊接電源的發展速度也是很快的。 我國逆變焊機的研究開發起步于20世紀70年代末期，于20世紀80年代開始發展。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。現在，我國逆變焊機電源已形成4代產品：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，優勢更明顯。 逆變焊機發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現和解決的。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，對電路的元件參數進行靈敏度分析和容差分析，從而優化元件參數，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越性。 2 計算機仿真技術 2.1 計算機仿真技術發展現狀 計算機仿真技術把現代仿真技術與計算機發展結合起來，通過建立系統的數學模型，以計算機為工具，以數值計算為手段，對存在的或設想中的系統進行實驗研究。在我國，自從20世紀50年代中期以來，系統仿真技術就在航天、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。 與傳統的經驗方法相比，計算機仿真的優點是：①能提供整個計算機域內所有有關變量完整詳盡的數據；②不用進行系統實驗；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，數字仿真還具有高效率、高精度和進行實際系統難以進行具有破壞性或危險性的實驗研究等優點。 2.2 電力電子仿真技術研究現狀 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、系統性能的預測、新產品潛在問題的發現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：狀態變量法、節點分析法、改進的節點分析法和狀態空間平均法等。這些建模方法各有優點和不足，都有自己的使用范圍，在具體使用時，要根據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，要準確地分析其空間和動態性能往往是非常困難的。建立精確的數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根據器件內部載流子運動的物理規律建立物理－電氣模型；②根據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。現在使用較多的是PSPICE 6.2，工作于Windows環境，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、數據輸出，并在同一個窗口內同時顯示模擬與數字電路。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／數轉換、數／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。 MATLAB 5.2 于1998年由Mathworks 公司推出，其中新增加的Power System Blockset(PSB)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統網絡元件、電機、電力電子器件、控制和測量環節以及三相元件庫等，再借助于其它模塊庫或工具箱，在Simulink環境下，可以進行電力系統的仿真計算，可以實現復雜的控制方法仿真，同時可以觀察仿真的執行過程。仿真結果在仿真結束時利用變量存儲在MATLAB的工作空間中。 PSPICE和PSB仿真軟件各有其應用的優勢，其版本也在不斷更新，其中PSB現在已經推出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。若系統規模過大，則仿真執行時間則會變得非常長。 3 計算機仿真在焊接逆變電源中的應用現狀 目前，計算機仿真技術已經廣泛應用于航空、航天、軍事等尖端技術領域，發揮了巨大的作用。前些年焊接技術研究人員開始把它引入到焊接電源中來，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應用得比較成熟。這方面研究得最早的是華理工大學，其承擔的國家自然科學基金項目“弧焊逆變電源結構、參數的計算機仿真與輔助設計”就是仿真技術在焊接設備中應用的一個典型例子。它借助功能強大的計算機，通過全面、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程和動態響應，發展逆變理論，解決國產弧焊逆變器的質量和可靠性問題，進而實現弧焊逆變器的計算機輔助優化設計，提高了我國機電產品設計的科學化和自動化水平。 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元件模型，然后把它們連成電路進行仿真。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，并以非線性電容來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）軟開關變換器進行了計算機仿真，分析了器件的開關性能和變換器的能量傳輸性能，并通過試驗驗證了仿真結果，證實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逆變電路看成一個整體進行仿真。可以根據弧焊逆變電源動態過程的特點，采用計算機仿真技術，通過建立控制系統的非線性模型，得到各種動態過程的直接描述，并進行仿真分析，為研究弧焊逆變器輸出電流的動態過程提供有效的手段。 仿真時總要涉及參數優化問題，文獻圍繞逆變電源主電路動態過程的設計問題，重點討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設計要點，定性和定量地探討了器件參數變化對主電路動態過程的影響，在仿真的基礎上實現計算機輔助優化設計。深圳大學R＞除此以外，有關人員對電弧焊逆變器的動態電弧模型進行了深入研究，成功地仿真出電弧的動態特性曲線圖，并分析了電弧動態特性圖與脈沖多折線的有機聯系。由于電弧穩定性的依據是控制器的穩定性，因此從動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量。文獻對交流弧焊變壓器的計算機輔助設計系統進行了研究，把弧焊變壓器的設計分割成六個部分分別進行設計，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題，研究人員通過對全橋逆變電路變壓器磁飽和原理的研究，提出了采用雙環反饋控制法解決該問題的方案。經過電路設計、仿真和波形分析,從實驗的角度證明了該方案的可行性和有效性。 仿真技術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大學和其它一些研究所、高校，他們對逆變電阻焊機的電路進行了仿真、分析，并進行了電路的設計，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說比較零散，綜合性不太強，現在見到的也還不是很多。 所以從總體上看，計算機仿真技術在焊接電源領域屬于新事物，其進一步發展尚需時間。 4 存在的問題和未來發展方向 從前面的介紹可以看出，計算機仿真技術被引入到焊接電源領域以后，發展速度很快，對焊接設備主電路結構的設計、參數的優化起了很大的作用。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的結合還存在下述問題： （1）焊接電源系統是一個強電和弱電相結合的強非線性系統，其中電和磁的相互作用非常復雜，不易理解。對于這樣一個系統很難找到一個數學方程來加以描述，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重要。而在焊接電源電路中包括大量的非線性大功率開關元件和電磁器件，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，有待于進一步完善。因此，若不能解決該 項瓶頸技術，要想讓已仿真完成的電路應用于實際電路之中顯然是不太現實的。 （3）焊接電源是焊機的一個關鍵部分，但若想開發一臺高性能、高可靠性的焊機，其它輔助部分如驅動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整體加以進行。因此，這方面有待加強。 （4）焊機的種類多種多樣，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，就帶來了具體設計電源時的電路選擇問題。 總之，筆者認為上述四項問題的解決關系到焊接電源仿真技術能否真正得到推廣，而如何解決這些問題則是未來相當一段時間內的研究方向，一旦這些問題得到妥善解決，則不難想像其未來的廣闊前景。我們期待著我國焊接設備技術早日達到世界先進水平。 |
