弧焊逆變電源變壓器優化設計的仿真

劉嘉，劉春田，白立來，趙樹余

(北京工業大學，北京100124)

0 前言

隨著電力電子技術、材料加工技術和計算機技術的快速發展，弧焊電源經歷了交流弧焊電源、直流弧焊電源、脈沖弧焊電源幾個階段后，逆變電源出現并走向市場[1]。由于逆變電源具有體積小、重量輕、響應速度快等優點，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從根本上可以看作電源輸出電感電阻(LR)的負載模型，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。所以優化變壓器參數L是實現逆變式弧焊電源的動態響應性能提高的一種方法。以往弧焊逆變電源動態響應的提高是通過提高逆變頻率來實現的。但隨著頻率的提高，IGBT的開關損耗增加，開關應力加大，電磁干擾變強，將嚴重威脅開關元件的安全。而全數字化弧焊逆變電源的研究重點是提高電流的響應速度、有效值精度及穩定性[3]。為了促進弧焊技術的快速發展，提高弧焊電源變壓器的工作效率與動態響應速度顯得至關重要[4]。

1 電弧負載特性和電源動特性分析

1.1 電弧負載特性分析

電源負載的電特性對電源的設計非常重要。因此，很有必要對電源的負載進行分析。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中所產生的自持放電現象[5]，其電特性包括靜特性和動特性。對于一定弧長的電弧，當焊接電流發生連續的快速變化時，電弧電壓與焊接電流瞬時值之間的關系成為電弧動特性[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定性，根據電弧動特性的特點，采用相應焊接參數的電源與之匹配。

圖1 交流電弧動特性曲線

圖2 負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負載狀態發生瞬時變化時，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關系，用以表征對負載瞬變的反應能力。當負載變化時，電源必須做出最快的和最佳的響應，也就是應獲得穩定的焊接過程，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，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

為了建立準確的電源動特性的復雜模型，以便對其進一步的分析和仿真，Matlab中的Simulink軟件包提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，通過鼠標點擊拖動模塊圖標的方式對動態系統進行建模、仿真和分析。Matlab/Simulink動態仿真環境建立了逆變電源系統大信號非線性系統模型，以電流負反饋、PI控制規律為基礎，進行PI調節參數的分析整定[7]。Simulink的出現，更使得Matlab為控制系統的仿真與控制系統的CAD打開了嶄新的局面[8]。

如圖3所示，運用Simulink軟件搭建的電源主電路模型和控制系統模型，并搭建負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。仿真結果由圖4所示，當變壓器電感值由圖4a 150 μH減小到圖4b 50 μH時，在負載瞬時變化時電流波形上升和穩定的速度明顯加快，證明隨著負載的周期性變化，變壓器電感L對閉環控制響應速度有影響，變壓器電感值越小弧焊逆變電源動態性能越快。

圖3 主電路和控制電路

圖4 不同電感下輸出電流波形

2 電源系統的設計

2.1 變壓器匝數的分析與計算

弧焊逆變電源的變壓器模型如圖5所示，假設變壓器原副邊最簡匝數比為8∶1，副邊電感分別是一匝和兩匝時，比較電源動態性能的差異。當副邊電感線圈一匝的電感量為L12=6 μH時，根據變壓器線圈的電感量公式L=μN2S/l,則原邊電感量是副邊電感量的匝數平方倍，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,可見匝數比為16∶2和8∶1的條件下原邊電感量L21>L11，根據弧焊逆變電源響應速度公式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為原副邊感應電動勢的有效值；N1,N2為原副邊變壓器繞組匝數。

圖5 弧焊逆變電源變壓器模型

2.2 變壓器并聯系統的分析與計算

大功率電源系統需要用若干臺開關電源并聯，以滿足負載功率的要求。并聯系統中，每個變換器只處理較小功率，不但降低了應力，還可以應用冗余技術，提高系統可靠性[9]。變壓器并聯是采用均流的措施實現大功率電源的輸出，使變壓器間的電流應力和熱應力均勻分配，使電源系統的靈活性得到提高，并且變壓器并聯可以方便實現冗余技術，減少產品種類，便于標準化。

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更多的電流，甚至處在過載的狀態，而輸出特性差的變壓器處于輕載的狀態，甚至是空載狀態。因此變壓器分流的不均衡，使得電流應力和熱應力分配不均，使弧焊逆變電源系統的可靠性降低。因此輸出特性好的變壓器，電流應力和熱應力大，壽命就會明顯下降。

圖6 變壓器并聯模型及輸出特性

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的基礎上，采用兩個變壓器共磁芯的方法，使兩路并聯系統的磁通量變化相同，實現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。變壓器原副邊并聯可以等效為原副邊電感的并聯。如圖8所示，兩個線性電感并聯單口網絡，就其端口特性而言，等效于一個線性電感[10]。

圖7 變壓器并聯共磁芯模型

圖8 電感并聯等效模型

列出圖8單口網絡的KCL(基爾霍夫電流定律)方程，代入電感的電壓電流關系，得到端口的電壓電流關系：

(1)

3 弧焊逆變電源系統PSpice仿真模型的建立

3.1 變壓器匝數的仿真

PSpice仿真軟件不同于其他仿真軟件，在電力電子電路的動態性仿真過程中，不僅有著一定的數字混合仿真功能，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、準確性和高效性等優點在電力電子電路輔助分析領域發揮了重要的作用[12]。PSpice仿真軟件當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)構成的線性變壓器在特定情況下可以當作理想變壓器使用[13]。

應用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變為40%，變壓器變比為8∶1，濾波電感L4為20 μH,負載電阻為0.03 Ω。

圖9 主電路電路圖

通過圖10負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，減少變壓器的匝數可以提高逆變式弧焊電源的動態性能。

圖10 負載電壓輸出波形

3.2 變壓器并聯系統的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，搭建出如圖11所示的主電路仿真模型。

圖11 變壓器并聯主電路

通過PSpice軟件對該主電路仿真出的負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時間如圖10b所示約為0.6 ms,并聯變壓器的弧焊逆變電源給電弧供電的響應時間如圖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系統可以提高弧焊逆變電源的動態響應性能。

4 結論

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

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

(3)采用PSpice電路仿真軟件對弧焊逆變電源系統的主電路和變壓器模型進行建模，再現了其實際的工作過程，對接下來主電路參數的優化和探究弧焊逆變電源系統性能與主電路的參數關系具有指導性的意義。

(4)應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，減少變壓器的匝數和通過應用變壓器原副邊并聯的方式可以實現弧焊逆變電源系統動態性能的提高。