计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用

前言

焊接电源的制造已有一百多年的发展历史，进入20世纪60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、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20～30，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1/5～1/10，减少材料消耗80～90。特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势，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。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。其它工业发达国家逆变焊接电源的发展速度也是很快的。

我国逆变焊机的研究开发起步于20世纪70年代末期，于20世纪80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SCR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，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。

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20世纪50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20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，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。

与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是：①能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据；②不用进行系统实验；③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；④在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。此外，数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BR>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20世纪70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，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：①根据器件内部载流子运动的物理规律建立物理－电气模型；②根据器件外部行为建立等效宏模型。

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，Simplis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、Sabert和MATLAB分别是两类仿真器的代表。

PSPICE 是较早出现的EDA软件之一，由MICROSIM公司于1985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 PSPICE6.2，工作于Windows环境，占用硬盘空间20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，还可以自已编辑。