劉嘉，劉春田，白立來，趙樹余

(北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

0 前言

隨著電力電子技術(shù)、材料加工技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，弧焊電源經(jīng)歷了交流弧焊電源、直流弧焊電源、脈沖弧焊電源幾個階段后，逆變電源出現(xiàn)并走向市場[1]。由于逆變電源具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，逆變電源開始代替工頻次級整流電源[2]。逆變式弧焊電源輸出系統(tǒng)從根本上可以看作電源輸出電感電阻(LR)的負(fù)載模型，R為電弧，L為整個回路的等效電感，而電感L主要的部分落在變壓器上。所以優(yōu)化變壓器參數(shù)L是實(shí)現(xiàn)逆變式弧焊電源的動態(tài)響應(yīng)性能提高的一種方法。以往弧焊逆變電源動態(tài)響應(yīng)的提高是通過提高逆變頻率來實(shí)現(xiàn)的。但隨著頻率的提高，IGBT的開關(guān)損耗增加，開關(guān)應(yīng)力加大，電磁干擾變強(qiáng)，將嚴(yán)重威脅開關(guān)元件的安全。而全數(shù)字化弧焊逆變電源的研究重點(diǎn)是提高電流的響應(yīng)速度、有效值精度及穩(wěn)定性[3]。為了促進(jìn)弧焊技術(shù)的快速發(fā)展，提高弧焊電源變壓器的工作效率與動態(tài)響應(yīng)速度顯得至關(guān)重要[4]。

1 電弧負(fù)載特性和電源動特性分析

1.1 電弧負(fù)載特性分析

電源負(fù)載的電特性對電源的設(shè)計非常重要。因此，很有必要對電源的負(fù)載進(jìn)行分析。焊接電弧是一種在具有一定電壓的兩電極之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的自持放電現(xiàn)象[5]，其電特性包括靜特性和動特性。對于一定弧長的電弧，當(dāng)焊接電流發(fā)生連續(xù)的快速變化時，電弧電壓與焊接電流瞬時值之間的關(guān)系成為電弧動特性[6]。直流脈沖電流的電弧動特性曲線如圖1所示，負(fù)載輸出電壓電流波形如圖2所示，包含(t0～t4)電弧燃燒時間和(t4～t7)短路時間。為保證在變動電流作用下焊接過程的穩(wěn)定性，根據(jù)電弧動特性的特點(diǎn)，采用相應(yīng)焊接參數(shù)的電源與之匹配。

圖1 交流電弧動特性曲線

圖2 負(fù)載輸出電壓電流波形示意圖

1.2 電源動特性分析

電源的動特性是指當(dāng)負(fù)載狀態(tài)發(fā)生瞬時變化時，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關(guān)系，用以表征對負(fù)載瞬變的反應(yīng)能力。當(dāng)負(fù)載變化時，電源必須做出最快的和最佳的響應(yīng)，也就是應(yīng)獲得穩(wěn)定的焊接過程，較小的焊接飛濺和良好的焊接成形。其次電流的變化速度Δi/Δt與回路電感L和電源電壓U有關(guān)，通常電源電壓不變時，Δi/Δt主要決定于電感。

1.3 電源動特性的Simulink仿真

為了建立準(zhǔn)確的電源動特性的復(fù)雜模型，以便對其進(jìn)一步的分析和仿真，Matlab中的Simulink軟件包提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖動模塊圖標(biāo)的方式對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。Matlab/Simulink動態(tài)仿真環(huán)境建立了逆變電源系統(tǒng)大信號非線性系統(tǒng)模型，以電流負(fù)反饋、PI控制規(guī)律為基礎(chǔ)，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)參數(shù)的分析整定[7]。Simulink的出現(xiàn)，更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與控制系統(tǒng)的CAD打開了嶄新的局面[8]。

如圖3所示，運(yùn)用Simulink軟件搭建的電源主電路模型和控制系統(tǒng)模型，并搭建負(fù)載短路階段和燃弧階段的電弧模型。其中主電路電感L包括濾波電感、電纜電感和變壓器電感，濾波電感為飽和電感，而電纜電感為很小的固定值，因此電感值L主要落在變壓器上。仿真結(jié)果由圖4所示，當(dāng)變壓器電感值由圖4a 150 μH減小到圖4b 50 μH時，在負(fù)載瞬時變化時電流波形上升和穩(wěn)定的速度明顯加快，證明隨著負(fù)載的周期性變化，變壓器電感L對閉環(huán)控制響應(yīng)速度有影響，變壓器電感值越小弧焊逆變電源動態(tài)性能越快。

圖3 主電路和控制電路

圖4 不同電感下輸出電流波形

2 電源系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 變壓器匝數(shù)的分析與計算

弧焊逆變電源的變壓器模型如圖5所示，假設(shè)變壓器原副邊最簡匝數(shù)比為8∶1，副邊電感分別是一匝和兩匝時，比較電源動態(tài)性能的差異。當(dāng)副邊電感線圈一匝的電感量為L12=6 μH時，根據(jù)變壓器線圈的電感量公式L=μN(yùn)2S/l,則原邊電感量是副邊電感量的匝數(shù)平方倍，則L11=384 μH。同理，副邊電感線圈兩匝的電感量為L22=24 μH時，則原邊電感量L21=1.536 mH,可見匝數(shù)比為16∶2和8∶1的條件下原邊電感量L21>L11，根據(jù)弧焊逆變電源響應(yīng)速度公式U=LΔi/Δt,在輸入電壓不變的條件下，變壓器原邊電感量越小，電源給電弧供電的速度Δi/Δt就會越快。式中:u為磁路材料的磁導(dǎo)率；S為磁路的截面積；l為磁路長度；f為交流電頻率；Φm為磁通量的最大值；E1,E2為原副邊感應(yīng)電動勢的有效值；N1,N2為原副邊變壓器繞組匝數(shù)。

圖5 弧焊逆變電源變壓器模型

2.2 變壓器并聯(lián)系統(tǒng)的分析與計算

大功率電源系統(tǒng)需要用若干臺開關(guān)電源并聯(lián)，以滿足負(fù)載功率的要求。并聯(lián)系統(tǒng)中，每個變換器只處理較小功率，不但降低了應(yīng)力，還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性[9]。變壓器并聯(lián)是采用均流的措施實(shí)現(xiàn)大功率電源的輸出，使變壓器間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配，使電源系統(tǒng)的靈活性得到提高，并且變壓器并聯(lián)可以方便實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，減少產(chǎn)品種類，便于標(biāo)準(zhǔn)化。

但由于各個變壓器輸出特性并不相同，輸出特性好的變壓器可能承擔(dān)更多的電流，甚至處在過載的狀態(tài)，而輸出特性差的變壓器處于輕載的狀態(tài)，甚至是空載狀態(tài)。因此變壓器分流的不均衡，使得電流應(yīng)力和熱應(yīng)力分配不均，使弧焊逆變電源系統(tǒng)的可靠性降低。因此輸出特性好的變壓器，電流應(yīng)力和熱應(yīng)力大，壽命就會明顯下降。

圖6 變壓器并聯(lián)模型及輸出特性

針對此問題，搭建如圖7所示的變壓器模型。在變壓器原副邊并聯(lián)的基礎(chǔ)上，采用兩個變壓器共磁芯的方法，使兩路并聯(lián)系統(tǒng)的磁通量變化相同，實(shí)現(xiàn)兩路輸出電流的均勻分配，從而減小了變壓器因輸出特性不一致帶來的過載或空載問題。變壓器原副邊并聯(lián)可以等效為原副邊電感的并聯(lián)。如圖8所示，兩個線性電感并聯(lián)單口網(wǎng)絡(luò)，就其端口特性而言，等效于一個線性電感[10]。

圖7 變壓器并聯(lián)共磁芯模型

圖8 電感并聯(lián)等效模型

列出圖8單口網(wǎng)絡(luò)的KCL(基爾霍夫電流定律)方程，代入電感的電壓電流關(guān)系，得到端口的電壓電流關(guān)系：

(1)

3 弧焊逆變電源系統(tǒng)PSpice仿真模型的建立

3.1 變壓器匝數(shù)的仿真

PSpice仿真軟件不同于其他仿真軟件，在電力電子電路的動態(tài)性仿真過程中，不僅有著一定的數(shù)字混合仿真功能，而且還能仿真模型庫的模擬過程[11]。PSpice仿真軟件以其通用性、準(zhǔn)確性和高效性等優(yōu)點(diǎn)在電力電子電路輔助分析領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[12]。PSpice仿真軟件當(dāng)中包含有多種變壓器模型，其中線性變壓器(XFRM_LINEAR)和由線性磁芯(K_Linear)構(gòu)成的線性變壓器在特定情況下可以當(dāng)作理想變壓器使用[13]。

應(yīng)用PSpice仿真軟件搭建變壓器副邊一匝或者兩匝時電感值分別為6 μH和24 μH的兩種不同變壓器模型，來證明弧焊逆變電源動態(tài)性能的差異。如圖9所示，搭建全橋逆變電路和全波整流電路，輸入直流電壓540 V，占空比由10%延時1 ms變?yōu)?0%，變壓器變比為8∶1，濾波電感L4為20 μH,負(fù)載電阻為0.03 Ω。

圖9 主電路電路圖

通過圖10負(fù)載的電壓輸出波形可以看出，變壓器副邊為兩匝時如圖10a所示，逆變式弧焊電源給電弧供電的響應(yīng)時間約為1.2 ms，通過圖10b可以看出變壓器副邊為一匝時逆變式弧焊電源給電弧供電的響應(yīng)時間約為0.6 ms,因此證明在保證其他條件不變的情況下，減少變壓器的匝數(shù)可以提高逆變式弧焊電源的動態(tài)性能。

圖10 負(fù)載電壓輸出波形

3.2 變壓器并聯(lián)系統(tǒng)的PSpice電路仿真

如11圖所示，在圖9用PSpice仿真軟件搭建主電路的基礎(chǔ)上，選擇副邊一匝電感值為6 μH，原副邊變比8∶1時，原邊電感值為384 μH的變壓器作為仿真模型。選擇兩組這樣的變壓器模型原副邊并聯(lián)，搭建出如圖11所示的主電路仿真模型。

圖11 變壓器并聯(lián)主電路

通過PSpice軟件對該主電路仿真出的負(fù)載電壓輸出波形可以看出，在保證副邊繞組為一匝時，單一變壓器的弧焊逆變電源給電弧供電的響應(yīng)時間如圖10b所示約為0.6 ms,并聯(lián)變壓器的弧焊逆變電源給電弧供電的響應(yīng)時間如圖10c所示約為0.3 ms。因此證明在保證其他條件不變的情況下，采用變壓器原副邊并聯(lián)系統(tǒng)可以提高弧焊逆變電源的動態(tài)響應(yīng)性能。

4 結(jié)論

(1)文中理論分析計算正確，建模仿真結(jié)果可靠，弧焊逆變電源響應(yīng)速度提高的理論分析計算和建模仿真結(jié)果一致，對弧焊逆變電源的設(shè)計與開發(fā)可以起到指導(dǎo)作用。

(2)采用Simulink軟件搭建的電源主電路模型和控制系統(tǒng)模型，證明變壓器電感L對閉環(huán)動態(tài)性能有影響，隨著變壓器電感值減小，在負(fù)載瞬時變化時電流波形上升和穩(wěn)定的速度明顯加快，弧焊逆變電源動態(tài)性能明顯提高。

(3)采用PSpice電路仿真軟件對弧焊逆變電源系統(tǒng)的主電路和變壓器模型進(jìn)行建模，再現(xiàn)了其實(shí)際的工作過程，對接下來主電路參數(shù)的優(yōu)化和探究弧焊逆變電源系統(tǒng)性能與主電路的參數(shù)關(guān)系具有指導(dǎo)性的意義。

(4)應(yīng)用理論分析計算和建模仿真的方式證明，在保證變壓器變比不變的條件下，減少變壓器的匝數(shù)和通過應(yīng)用變壓器原副邊并聯(lián)的方式可以實(shí)現(xiàn)弧焊逆變電源系統(tǒng)動態(tài)性能的提高。