計算機仿真技術在逆變焊接電源中的應用

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。