計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在逆變焊接電源中的應(yīng)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件、電機(jī)、電力電子器件、控制和測(cè)量環(huán)節(jié)以及三相元件庫(kù)等，再借助于其它模塊庫(kù)或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀察仿真的執(zhí)行過(guò)程。仿真結(jié)果在仿真結(jié)束時(shí)利用變量存儲(chǔ)在MATLAB的工作空間中。

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

MATLAB/SIMULINK的強(qiáng)大運(yùn)算能力對(duì)于仿真結(jié)果的后處理非常方便。PSPICE則適用于小規(guī)模系統(tǒng)元器件級(jí)的建模。若系統(tǒng)規(guī)模過(guò)大，則仿真執(zhí)行時(shí)間則會(huì)變得非常長(zhǎng)。

3計(jì)算機(jī)仿真在焊接逆變電源中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)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(xiàn)也不是很多。
從現(xiàn)有文獻(xiàn)可以看出，弧焊逆變器中仿真技術(shù)應(yīng)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(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“弧焊逆變電源結(jié)構(gòu)、參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)”就是仿真技術(shù)在焊接設(shè)備中應(yīng)用的一個(gè)典型例子。它借助功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，通過(guò)全面、系統(tǒng)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(yīng)，發(fā)展逆變理論，解決國(guó)產(chǎn)弧焊逆變器的質(zhì)量和可靠性問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)弧焊逆變器的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xiàn)就是以PSPICE中現(xiàn)有的器件模型為基礎(chǔ)，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(lái)表征器件的寄生電容。然后采用所建立的模型，對(duì)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(jì)算機(jī)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(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果，證實(shí)了在建立合適的器件模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)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。可以根據(jù)弧焊逆變電源動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)建立控制系統(tǒng)的非線性模型，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(shù)優(yōu)化問(wèn)題，文獻(xiàn)圍繞逆變電源主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的設(shè)計(jì)問(wèn)題，重點(diǎn)討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，定性和定量地探討了器件參數(shù)變化對(duì)主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，在仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。深圳大學(xué)R>除此以外，有關(guān)人員;對(duì)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)特性曲線圖，并分析了電弧動(dòng)態(tài)特性圖與脈沖多折線的有機(jī)聯(lián)系。由于電弧穩(wěn)定性的依據(jù)是控制器的穩(wěn)定性，因此從動(dòng)特性圖上的穩(wěn)定性可以校對(duì)電源設(shè)計(jì)的正確性。

變壓器是電焊機(jī)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(jī)焊接質(zhì)量。文獻(xiàn)］對(duì)交流弧焊變壓器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，把弧焊變壓器的設(shè)計(jì)分割成六個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再綜合在一起，即采用總－分－總的設(shè)計(jì)方案，不僅提高了計(jì)算精度和速度，而且也減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度及降低設(shè)計(jì)成本。另外，對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)、仿真和波形分析,從實(shí)驗(yàn)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(jī)中也得到了一定的應(yīng)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(duì)逆變電阻焊機(jī)的電路進(jìn)行了仿真、分析，并進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)，從而降低了研制成本，提高了焊機(jī)效率。至于在其它方面的應(yīng)用情況相對(duì)來(lái)說(shuō)比較零散，綜合性不太強(qiáng)，現(xiàn)在見(jiàn)到的也還不是很多。

所以從總體上看，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在焊接電源領(lǐng)域?qū)儆谛率挛?，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(jì)算機(jī)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(duì)焊接設(shè)備主電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、參數(shù)的優(yōu)化起了很大的作用。大大降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)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(rèn)，由于焊接電源本身的特殊性，當(dāng)前與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的結(jié)合還存在下述問(wèn)題：

（1）焊接電源系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)電和弱電相結(jié)合的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，其中電和磁的相互作用非常復(fù)雜，不易理解。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)很難找到一個(gè)數(shù)學(xué)方程來(lái)加以描述，因此不容易用傳遞函數(shù)從整體上對(duì)其加以仿真。所以，現(xiàn)有的仿真大多集中于其具體的內(nèi)部電路部分仿。這樣，不便于檢驗(yàn)已進(jìn)行完仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體效果。
（2）元器件模型的精度對(duì)最終仿真結(jié)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(duì)于大功率元件和電磁元件，其建模與參數(shù)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(xiàng)瓶頸技術(shù)，要想讓已仿真完成的電路應(yīng)用于實(shí)際電路之中顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。
（3）焊接電源是焊機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部分，但若想開(kāi)發(fā)一臺(tái)高性能、高可靠性的焊機(jī)，其它輔助部分如驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路部分也是不可忽視的，而現(xiàn)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(qiáng)。
（4）焊機(jī)的種類多種多樣，有弧焊機(jī)、電阻焊機(jī)、激光焊機(jī)、等離子焊機(jī)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(shè)計(jì)電源時(shí)的電路選擇問(wèn)題。

總之，筆者認(rèn)為上述四項(xiàng)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(dāng)一段時(shí)間內(nèi)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。我們期待著我國(guó)焊接設(shè)備技術(shù)早日達(dá)到世界先進(jìn)水平。