馬為紅，劉 嘉，盧振洋，楊 帥，白立來

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124）

0 前言

微束等離子弧焊是一種高溫、高能量密度、高電離度的焊接方法，它具有電弧收縮、能量集中、適用于薄壁件焊接的特點(diǎn)，在日趨小型化、精密化的零件、設(shè)備的制造過程中應(yīng)用前景廣闊。微束等離子弧焊接技術(shù)在薄壁零件的精細(xì)加工領(lǐng)域正受到越來越多的重視與應(yīng)用。微束等離子焊接的焊接電流小于30 A，微束等離子弧焊電源的顯著特點(diǎn)是小電流焊接、輸出電流紋波小[1-3]。

本研究針對微束等離子弧焊晶體管電源進(jìn)行Saber仿真研究，主要研究晶體管微束等離子弧焊電源輸出小電流穩(wěn)定性問題。微束等離子弧焊電源通常有主弧和維弧兩個(gè)電源。維弧電源采用2～5 A的直流源。在此主要研究分析微束等離子弧焊的主弧電源。

本研究仿真工具采用Saber電路仿真軟件，它具備豐富的電力電子、電源專用器件和功率電子器件庫；可以將電路模塊用一個(gè)符號(hào)表示，進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)；可以進(jìn)行瞬態(tài)分析、DC直流分析、AC頻率響應(yīng)分析等。它完全適用于微束等離子弧焊晶體管電源的仿真分析。

1 微束等離子弧焊晶體管電源仿真模型

微束等離子焊接電流小于30 A，最小可以達(dá)到0.05 A。微束等離子弧焊電源一般采用分檔處理電流數(shù)量級相差比較大的問題[4]。本研究主要針對穩(wěn)定焊接電流小于5 A的情況進(jìn)行分析。

1.1 微束等離子晶體管電源主電路模型

晶體管電源主電路模型如圖1所示。三相380 V電壓輸入到焊機(jī)Y-Y型變壓器，經(jīng)過降壓得到星型聯(lián)結(jié)約30 V的三相電，再經(jīng)過整流濾波得到近似70 V的直流電，通過V晶體管，與采樣分流器、濾高頻的電感和負(fù)載形成一個(gè)回路。K為反饋控制電路。V在電源中的應(yīng)用為共射極連接方式，研究其放大過程主要是分析集電極電流（輸出電流）與基極電流（控制電流）之間的關(guān)系[5]。

圖1 主電路模型

晶體管Q原理如圖2所示。Q由兩級驅(qū)動(dòng)晶體管V1、V2和多個(gè)并聯(lián)的BJT功率晶體管組成，每個(gè)晶體管發(fā)射極都有均衡電流的電阻。兩級驅(qū)動(dòng)晶體管由K反饋控制電路驅(qū)動(dòng)。K反饋控制電路給定一個(gè)小電流信號(hào)就可以逐級放大兩級驅(qū)動(dòng)晶體管的發(fā)射極電流，最終放大并聯(lián)BJT的集電極電流即回路輸出電流。

圖2 晶體管V組成原理

1.2 反饋控制器模型

反饋控制器K模型如圖3所示。G為給定信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)放N2反向放大，得到負(fù)電壓信號(hào)S1；分流器上采樣信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器N1差動(dòng)放大[6]，得到放大約200倍的負(fù)電壓信號(hào)S2；過電流檢測信號(hào)S3，使S3=0 V。三路信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放N3做積分運(yùn)算處理，得到驅(qū)動(dòng)晶體管的基極電流信號(hào)VB。

1.3 電源總體模型

微束等離子弧焊電源總體仿真模型如圖4所示。放大控制器對給定的電壓信號(hào)和分流器采集的電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生晶體管放大電路的基極電流信號(hào)，形成了放大電路的閉環(huán)控制。

圖3 反饋控制器仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 電源輸出電流紋波分析

2.1.1 主電路電容C對輸出電流紋波影響

圖4 微束等離子弧焊電源總體模型

給定 G=1 V，負(fù)載電阻 R=1 Ω，C 為 470 μF 和2000 μF時(shí)負(fù)載電壓波形如圖5所示。當(dāng)C=470 μF時(shí)，紋波為 1.8341 V-1.8239 V=0.0102 V，0.0102 V/1.8239 V=0.56%；當(dāng) C=2000 μF 時(shí)，紋波為 1.8283 V-1.8239 V=0.0044 V，0.0044 V/1.8239 V=0.24%，可見選擇一個(gè)大容量電容C可以很好地抑制輸出電流紋波。電容C為整流輸出的脈沖電流信號(hào)提供電量緩沖，它使整流橋輸出電流平滑，最終降低負(fù)載電流紋波。當(dāng)電源斷電時(shí)，電容C通過功率電阻R放電。

圖5 C=470 μF、C=2000 μF 時(shí)輸出電流紋波

2.1.2 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)對輸出電流紋波影響

仿真條件：給定G=1 V，負(fù)載電阻R=1 Ω。在圖6a為采樣放大之后的信號(hào)S2；圖6c為運(yùn)放F3輸出電壓信號(hào)；圖6d為加閉環(huán)控制的負(fù)載電壓信號(hào)，平均值為 1.8239 V，計(jì)算出紋波為（1.8275 V-1.8239 V）/1.8239 V=0.2%；圖 6b 為去掉閉環(huán)控制器，直接給定圖6c的平均電壓5.7098 V時(shí)所得到的負(fù)載電壓信號(hào)，Umax=1.842 V、Umin=1.7535 V，平均值為1.8089 V 對應(yīng)紋波為 1.83%～3.06%。由圖 6d與圖6b的紋波大小明顯可知加閉環(huán)控制環(huán)節(jié)能夠大幅度減小負(fù)載電流的紋波。反饋控制器上的運(yùn)放F3對采樣放大后的信號(hào)S2和給定的反向放大信號(hào)S1做積分濾波處理，降低采樣信號(hào)S2上的紋波對電源輸出電流的影響。

2.1.3 給定信號(hào)上紋波對輸出電流紋波影響

圖6 有無閉環(huán)控制負(fù)載電壓波形

為了驗(yàn)證給定信號(hào)上紋波與輸出電流紋波的關(guān)系，初步需要驗(yàn)證兩方面的內(nèi)容：（1）當(dāng)給定G加上固定紋波時(shí)，負(fù)載電阻的改變是否會(huì)對輸出電流的紋波產(chǎn)生影響；（2）給定信號(hào)G上依次疊加不同幅值的紋波，固定負(fù)載電阻上負(fù)載電流紋波的變化規(guī)律。

選定給定G=71 mV此時(shí)恒流為0.10066 A時(shí)的小電流情況進(jìn)行分析研究。為了驗(yàn)證內(nèi)容1，在給定G上疊加一個(gè)固定紋波，依次給定不同電阻觀察負(fù)載電流變化，疊加的白噪聲紋波配置如圖7所示。

圖7 白噪聲參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖7的設(shè)置，給定71 mV上的噪聲幅值大約14 mV。加不同負(fù)載電阻與輸出電流關(guān)系，如圖8所示。

圖8最底層為71 mV直流源疊加大約14 mV幅值白噪聲后的電壓波形。由圖8可知，當(dāng)電阻為0.1 Ω、1 Ω、10 Ω 時(shí)，負(fù)載電壓連同噪聲等比例放大10倍，因此可以得出在圖7所設(shè)置的白噪聲下，負(fù)載電阻的變化不影響負(fù)載電流噪聲變化。這樣在焊接過程中，當(dāng)電弧被拉長時(shí)，其電弧負(fù)載的變化并不會(huì)對負(fù)載電流紋波產(chǎn)生影響。

圖8 給定加上噪聲后不同負(fù)載電阻對應(yīng)的輸出電壓波形

為了驗(yàn)證內(nèi)容（2），給定G仍然為71 mV取負(fù)載電阻為10 Ω，給定信號(hào)上加不同程度的噪聲，觀察對應(yīng)負(fù)載電壓噪聲變化，如圖9所示。

圖9 給定噪聲與負(fù)載電壓噪聲對應(yīng)關(guān)系

圖9 中 a0、b0、c0 為白噪聲波形，a0、b0、c0 白噪聲的noise_power分別為1e-9、1e-8、5e-8。圖9中a、b、c分別對應(yīng)其負(fù)載電壓波形。圖9中d為給定G沒有噪聲時(shí)的負(fù)載波形，負(fù)載電壓平均值為1.006 V，紋波不到1%。根據(jù)圖9的數(shù)據(jù)得出給定紋波與負(fù)載電流紋波關(guān)系如表1所示。

表1 給定紋波與負(fù)載電流紋波

由表1可知，隨著給定信號(hào)上紋波的增大，負(fù)載電流的紋波也會(huì)隨之增大，負(fù)載電流紋波增大比例小于給定上的紋波增大比例，說明本模型系統(tǒng)對給定G信號(hào)上的紋波有一定的濾除作用。因此要盡可能地降低系統(tǒng)給定G上的紋波以減少其對輸出負(fù)載電流紋波的影響。

2.2 電源恒電流輸出特性仿真

根據(jù)所建電源仿真模型可以得到微束等離子電源的外特性。給定信號(hào)G=1 V時(shí)的外特性曲線如圖10所示。由外特性曲線可知其電源特性為恒電流源，拐點(diǎn)在電壓 72.951 V、電流 1.824 A 處，此刻負(fù)載為40 Ω。即當(dāng)負(fù)載電阻小于40 Ω時(shí)，能夠得到不隨電壓變化的恒電流源，輸出為1.824 A。數(shù)據(jù)如表2所示。

圖10 給定為1 V時(shí)恒電流外特性

2.3 負(fù)載電阻突變仿真

當(dāng)負(fù)載電阻突變時(shí)，對電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性分析至關(guān)重要，本仿真考慮給定G為1 V，負(fù)載由 0.5 Ω 瞬間變?yōu)?20 Ω 時(shí)，負(fù)載電壓的變化如圖11所示。當(dāng)負(fù)載為0.5 Ω時(shí)，負(fù)載電壓為0.91182 V，負(fù)載突變?yōu)?20 Ω 時(shí)，電壓有過沖現(xiàn)象，然后過渡到36.489 V。電流從 1.8236 A變到1.8245 A，電流會(huì)順利過渡，最小過渡時(shí)間小于1.5 ms。

表2 給定G=1 V時(shí)負(fù)載電壓、電流值

圖11 負(fù)載從0.5 Ω突變到20 Ω時(shí)負(fù)載電壓波形

2.4 系統(tǒng)仿真

選定仿真區(qū)間范圍：負(fù)載電阻 0.001～100 Ω，給定G為0.05～2.71 V。在此仿真區(qū)間范圍內(nèi)給定連續(xù)變化的電壓信號(hào)能夠快速穩(wěn)定地得到連續(xù)變化的負(fù)載電流信號(hào)。表3為負(fù)載電阻為1 Ω，給定電壓G從0.05～2.71 V連續(xù)遞增變化時(shí)的一組給定電壓與負(fù)載電流數(shù)據(jù)。給定最小為0.05 V時(shí)，對應(yīng)負(fù)載電流 0.063 A，給定 G 為 2.71 V 時(shí)，負(fù)載電流為4.996 A 接近 5 A。

2.5 仿真結(jié)果

（1）仿真模型有很好的響應(yīng)特性，給定連續(xù)的電壓信號(hào)可以快速穩(wěn)定地得到對應(yīng)的負(fù)載電流信號(hào)。

（2）給定信號(hào)上的紋波增大會(huì)造成電源系統(tǒng)輸出電流紋波隨之增大，負(fù)載電流紋波增大幅度小于給定信號(hào)上紋波的增大幅度。

表3 給定電壓信號(hào)與負(fù)載電流對應(yīng)值

（3）負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，不會(huì)對負(fù)載電流紋波產(chǎn)生影響。

（4）選擇大容量值的主電路濾波電容和采用運(yùn)放積分器的閉環(huán)控制可以有效地抑制負(fù)載電流上的紋波。

（5）微束等離子弧焊電源具有陡降外特性的恒電流源。

（6）當(dāng)負(fù)載瞬間突變時(shí)，負(fù)載電壓雖有過沖現(xiàn)象但仍可以快速到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)論

通過在Saber仿真軟件上實(shí)驗(yàn)，建立了微束等離子弧焊晶體管電源的系統(tǒng)模型。研究分析了該模型的響應(yīng)特性、開環(huán)特性、閉環(huán)特性、靜特性、動(dòng)特性、輸出紋波等。其陡降的外特性決定在一定的負(fù)載電阻范圍內(nèi)，恒電流源可以穩(wěn)定地得到不隨電壓變化的焊接電流。當(dāng)高能量束電弧被拉長時(shí)，負(fù)載電阻將發(fā)生變化，但負(fù)載仍然可以得到穩(wěn)定不變的焊接電流，并且不會(huì)增加焊接電流上的紋波。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊（第2版第1卷）——焊接方法與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：169-195.

[2]巴頓BE.微束等離子弧焊接.羅津如，錢昌黔，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[3]潘麗華.微束等離子焊接[J].上海航天,1999（3）：61-64.

[4]何建萍.微束等離子焊小電流問題的研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（2）：97-101.

[5]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2001：67-89.

[6]段尚樞.運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)（第二版）[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998：44-46.