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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60年代之后，硅整流元件、大功率晶體管(GTR)、場(chǎng)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(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、節能省材，而且控制性能好，動(dòng)態(tài)響應快，易于實(shí)現焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，在性能上具有很大的潛在優(yōu)勢。從長(cháng)遠觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，逆變焊接電源是焊接電源的發(fā)展方向，國外逆變焊機的發(fā)展也充分說(shuō)明這一點(diǎn)。目前在工業(yè)發(fā)達國家，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制造廠(chǎng)商都已經(jīng)完成了逆變焊機產(chǎn)品系列化，并以此作為技術(shù)水平的標志之一。 1 焊接逆變電源的發(fā)展現狀 逆變電源被稱(chēng)為“明天的電源”，其在焊接設備中的應用為焊接設備的發(fā)展帶來(lái)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?jì)H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(zhù)動(dòng)態(tài)反應速度快的優(yōu)勢，其動(dòng)態(tài)反應速度比傳統工頻整流焊接電源提高了2～3個(gè)數量級，有利于實(shí)現焊接過(guò)程的自動(dòng)化和智能控制。這些都預示著(zhù)逆變焊接電源有著(zhù)廣泛的應用前景和市場(chǎng)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(guò)了50%。美國的主要焊機生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的逆變焊機已經(jīng)超過(guò)了30%。其它工業(yè)發(fā)達國家逆變焊接電源的發(fā)展速度也是很快的。 我國逆變焊機的研究開(kāi)發(fā)起步于20世紀70年代末期，于20世紀80年代開(kāi)始發(fā)展。1982年，成都電焊機研究所開(kāi)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(guò)了該項目的部級鑒定。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(kāi)關(guān)元件的逆變式焊機�，F在，我國逆變焊機電源已形成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(chǎng)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(wú)噪聲，與前3代逆變器相比，優(yōu)勢更明顯。 逆變焊機發(fā)展的廣闊前景吸引了眾多大專(zhuān)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(shí)采用傳統的試驗方法不但要消耗大量的人力、物力和時(shí)間，且有些問(wèn)題是試驗方法難以發(fā)現和解決的。因此需要提出新的設計方法和手段。 近幾年來(lái)，電路分析和設計的方法由于采用計算機仿真技術(shù)而得到飛速發(fā)展。電路設計采用計算機仿真技術(shù)對不同的設計方案迅速地進(jìn)行模擬分析，并在電路形式確定以后，對電路的元件參數進(jìn)行靈敏度分析和容差分析，從而優(yōu)化元件參數，保證設計質(zhì)量。所以，電路設計中采用計算機仿真技術(shù)，能極大的減少人工勞動(dòng)，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(lái)越多的裝置采用計算機仿真技術(shù)。對于大功率的焊逆變電源來(lái)說(shuō)，其工作環(huán)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(shù)就更具有優(yōu)越性。 2 計算機仿真技術(shù) 2.1 計算機仿真技術(shù)發(fā)展現狀 計算機仿真技術(shù)把現代仿真技術(shù)與計算機發(fā)展結合起來(lái)，通過(guò)建立系統的數學(xué)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(jìn)行實(shí)驗研究。在我國，自從20世紀50年代中期以來(lái)，系統仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應用，取得了重大的成果。自20世紀80年代初開(kāi)始，隨著(zhù)微機的廣泛應用，數字仿真技術(shù)在自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、機械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應用。 與傳統的經(jīng)驗方法相比，計算機仿真的優(yōu)點(diǎn)是：①能提供整個(gè)計算機域內所有有關(guān)變量完整詳盡的數據；②不用進(jìn)行系統實(shí)驗；③可預測某特定工藝的變化過(guò)程和最終結果，使人們對過(guò)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(jìn)行實(shí)際系統難以進(jìn)行具有破壞性或危險性的實(shí)驗研究等優(yōu)點(diǎn)。 2.2 電力電子仿真技術(shù)研究現狀 仿真技術(shù)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(kāi)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(chǎn)品潛在問(wèn)題的發(fā)現以及解決問(wèn)題方法的評價(jià)等。它主要解決兩個(gè)問(wèn)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(tài)變量法、節點(diǎn)分析法、改進(jìn)的節點(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)，要根據具體目的采用相應的方法建立具體的仿真模型。 對于開(kāi)關(guān)型變換器這樣一個(gè)強非線(xiàn)性的時(shí)變系統，要準確地分析其空間和動(dòng)態(tài)性能往往是非常困難的。建立精確的數學(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(xué)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(dòng)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(lái)，國內外許多學(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(wèn)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(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(lèi)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(shuō)是最為強大，在國內被普遍使用�，F在使用較多的是PSPICE 6.2，工作于Windows環(huán)境，占用硬盤(pán)空間20多兆。 PSPICE可以進(jìn)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(gè)窗口內同時(shí)顯示模擬與數字電路。無(wú)論對哪種器件哪些電路進(jìn)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(méi)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(wǎng)絡(luò )元件、電機、電力電子器件、控制和測量環(huán)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(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統的仿真計算，可以實(shí)現復雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀(guān)察仿真的執行過(guò)程。仿真結果在仿真結束時(shí)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(yōu)勢，其版本也在不斷更新，其中PSB現在已經(jīng)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(cháng)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(guò)大，則仿真執行時(shí)間則會(huì )變得非常長(cháng)。 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(shù)已經(jīng)廣泛應用于航空、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，這方面的文獻也不是很多。 從現有文獻可以看出，弧焊逆變器中仿真技術(shù)應用得比較成熟。這方面研究得最早的是華理工大學(xué)，其承擔的國家自然科學(xué)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(shù)在焊接設備中應用的一個(gè)典型例子。它借助功能強大的計算機，通過(guò)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(guò)程和動(dòng)態(tài)響應，發(fā)展逆變理論，解決國產(chǎn)弧焊逆變器的質(zhì)量和可靠性問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現弧焊逆變器的計算機輔助優(yōu)化設計，提高了我國機電產(chǎn)品設計的科學(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(xiàn)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)行了計算機仿真，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)試驗驗證了仿真結果，證實(shí)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(gè)逆變電路看成一個(gè)整體進(jìn)行仿真�？梢愿鶕『改孀冸娫磩�(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，采用計算機仿真技術(shù)，通過(guò)建立控制系統的非線(xiàn)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)總要涉及參數優(yōu)化問(wèn)題，文獻圍繞逆變電源主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的設計問(wèn)題，重點(diǎn)討論了功率脈沖變壓器及其緩沖電路的設計要點(diǎn)，定性和定量地探討了器件參數變化對主電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，在仿真的基礎上實(shí)現計算機輔助優(yōu)化設計。深圳大學(xué)R＞除此以外，有關(guān)人員對電弧焊逆變器的動(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(xiàn)圖，并分析了電弧動(dòng)態(tài)特性圖與脈沖多折線(xiàn)的有機聯(lián)系。由于電弧穩定性的依據是控制器的穩定性，因此從動(dòng)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(zhì)量。文獻對交流弧焊變壓器的計算機輔助設計系統進(jìn)行了研究，把弧焊變壓器的設計分割成六個(gè)部分分別進(jìn)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(dòng)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(wèn)題，研究人員通過(guò)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(huán)反饋控制法解決該問(wèn)題的方案。經(jīng)過(guò)電路設計、仿真和波形分析,從實(shí)驗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(yè)大學(xué)和其它一些研究所、高校，他們對逆變電阻焊機的電路進(jìn)行了仿真、分析，并進(jìn)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(lái)說(shuō)比較零散，綜合性不太強，現在見(jiàn)到的也還不是很多。 所以從總體上看，計算機仿真技術(shù)在焊接電源領(lǐng)域屬于新事物，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，計算機仿真技術(shù)被引入到焊接電源領(lǐng)域以后，發(fā)展速度很快，對焊接設備主電路結構的設計、參數的優(yōu)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(chǎn)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(shù)的結合還存在下述問(wèn)題： （1）焊接電源系統是一個(gè)強電和弱電相結合的強非線(xiàn)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(gè)系統很難找到一個(gè)數學(xué)方程來(lái)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(jìn)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(guān)重要。而在焊接電源電路中包括大量的非線(xiàn)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，對于大功率元件和電磁元件，其建模與參數提取一直是難點(diǎn)，有待于進(jìn)一步完善。因此，若不能解決該 項瓶頸技術(shù)，要想讓已仿真完成的電路應用于實(shí)際電路之中顯然是不太現實(shí)的。 （3）焊接電源是焊機的一個(gè)關(guān)鍵部分，但若想開(kāi)發(fā)一臺高性能、高可靠性的焊機，其它輔助部分如驅動(dòng)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(gè)整體加以進(jìn)行。因此，這方面有待加強。 （4）焊機的種類(lèi)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(lái)了具體設計電源時(shí)的電路選擇問(wèn)題。 總之，筆者認為上述四項問(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)相當一段時(shí)間內的研究方向，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(zhù)我國焊接設備技術(shù)早日達到世界先進(jìn)水平。 |
