弧焊逆变电源变压器优化设计的仿真

0 前言

随着电力电子技术、材料加工技术和计算机技术的快速发展，弧焊电源经历了交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源几个阶段后，逆变电源出现并走向市场[1]。由于逆变电源具有体积小、重量轻、响应速度快等优点，逆变电源开始代替工频次级整流电源[2]。逆变式弧焊电源输出系统从根本上可以看作电源输出电感电阻(LR)的负载模型，R为电弧，L为整个回路的等效电感，而电感L主要的部分落在变压器上。所以优化变压器参数L是实现逆变式弧焊电源的动态响应性能提高的一种方法。以往弧焊逆变电源动态响应的提高是通过提高逆变频率来实现的。但随着频率的提高，IGBT的开关损耗增加，开关应力加大，电磁干扰变强，将严重威胁开关元件的安全。而全数字化弧焊逆变电源的研究重点是提高电流的响应速度、有效值精度及稳定性[3]。为了促进弧焊技术的快速发展，提高弧焊电源变压器的工作效率与动态响应速度显得至关重要[4]。

1 电弧负载特性和电源动特性分析

1.1 电弧负载特性分析

电源负载的电特性对电源的设计非常重要。因此，很有必要对电源的负载进行分析。焊接电弧是一种在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的自持放电现象[5]，其电特性包括静特性和动特性。对于一定弧长的电弧，当焊接电流发生连续的快速变化时，电弧电压与焊接电流瞬时值之间的关系成为电弧动特性[6]。直流脉冲电流的电弧动特性曲线如图1所示，负载输出电压电流波形如图2所示，包含(t0～t4)电弧燃烧时间和(t4 ～ t7)短路时间。为保证在变动电流作用下焊接过程的稳定性，根据电弧动特性的特点，采用相应焊接参数的电源与之匹配。

图1 交流电弧动特性曲线

图2 负载输出电压电流波形示意图

1.2 电源动特性分析

电源的动特性是指当负载状态发生瞬时变化时，弧焊电源输出电流和输出电压与时间的关系，用以表征对负载瞬变的反应能力。当负载变化时，电源必须做出最快的和最佳的响应，也就是应获得稳定的焊接过程，较小的焊接飞溅和良好的焊接成形。其次电流的变化速度Δi/Δt与回路电感L和电源电压U有关，通常电源电压不变时，Δi/Δt主要决定于电感。

1.3 电源动特性的Simulink仿真

为了建立准确的电源动特性的复杂模型，以便对其进一步的分析和仿真，Matlab中的Simulink软件包提供了一个图形化的用户界面(GUI)，通过鼠标点击拖动模块图标的方式对动态系统进行建模、仿真和分析。Matlab/Simulink动态仿真环境建立了逆变电源系统大信号非线性系统模型，以电流负反馈、PI控制规律为基础，进行PI调节参数的分析整定[7]。Simulink的出现，更使得Matlab为控制系统的仿真与控制系统的CAD打开了崭新的局面[8]。

如图3所示，运用Simulink软件搭建的电源主电路模型和控制系统模型，并搭建负载短路阶段和燃弧阶段的电弧模型。其中主电路电感L包括滤波电感、电缆电感和变压器电感，滤波电感为饱和电感，而电缆电感为很小的固定值，因此电感值L主要落在变压器上。仿真结果由图4所示，当变压器电感值由图4a 150 μH减小到图4b 50 μH时，在负载瞬时变化时电流波形上升和稳定的速度明显加快，证明随着负载的周期性变化，变压器电感L对闭环控制响应速度有影响，变压器电感值越小弧焊逆变电源动态性能越快。

图3 主电路和控制电路

图4 不同电感下输出电流波形

2 电源系统的设计

2.1 变压器匝数的分析与计算

弧焊逆变电源的变压器模型如图5所示，假设变压器原副边最简匝数比为8∶1，副边电感分别是一匝和两匝时，比较电源动态性能的差异。当副边电感线圈一匝的电感量为L12=6 μH时，根据变压器线圈的电感量公式L=μN2S/l,则原边电感量是副边电感量的匝数平方倍，则L11=384 μH。同理，副边电感线圈两匝的电感量为L22=24 μH时，则原边电感量L21=1.536 mH,可见匝数比为16∶2和8∶1的条件下原边电感量L21>L11，根据弧焊逆变电源响应速度公式U=LΔi/Δt,在输入电压不变的条件下，变压器原边电感量越小，电源给电弧供电的速度Δi/Δt就会越快。式中:u为磁路材料的磁导率；S为磁路的截面积；l为磁路长度；f为交流电频率；Φm为磁通量的最大值；E1, E2为原副边感应电动势的有效值；N1, N2为原副边变压器绕组匝数。

图5 弧焊逆变电源变压器模型

2.2 变压器并联系统的分析与计算

大功率电源系统需要用若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求。并联系统中，每个变换器只处理较小功率，不但降低了应力，还可以应用冗余技术，提高系统可靠性[9]。变压器并联是采用均流的措施实现大功率电源的输出，使变压器间的电流应力和热应力均匀分配，使电源系统的灵活性得到提高，并且变压器并联可以方便实现冗余技术，减少产品种类，便于标准化。

但由于各个变压器输出特性并不相同，输出特性好的变压器可能承担更多的电流，甚至处在过载的状态，而输出特性差的变压器处于轻载的状态，甚至是空载状态。因此变压器分流的不均衡，使得电流应力和热应力分配不均，使弧焊逆变电源系统的可靠性降低。因此输出特性好的变压器，电流应力和热应力大，寿命就会明显下降。

如图6所示，变压器模块在小电流的情况下，负载RL的电流IL=I01+I02，因为两个变压器模块的输出特性斜率不同，则分配给负载的电流也不同，当变压器模块在大电流的情况下，负载电流时，因为变压器模块1比变压器模块2的斜率绝对值小，所以变压器模块1比变压器模块2分配电流的增量要大很多。如果使变压器模块1的输出特性斜率接近与变压器模块2，则可以实现两个变压器电流的均匀分配。

图6 变压器并联模型及输出特性

针对此问题，搭建如图7所示的变压器模型。在变压器原副边并联的基础上，采用两个变压器共磁芯的方法，使两路并联系统的磁通量变化相同，实现两路输出电流的均匀分配，从而减小了变压器因输出特性不一致带来的过载或空载问题。变压器原副边并联可以等效为原副边电感的并联。如图8所示，两个线性电感并联单口网络，就其端口特性而言，等效于一个线性电感[10]。

图7 变压器并联共磁芯模型

图8 电感并联等效模型

列出图8单口网络的KCL(基尔霍夫电流定律)方程，代入电感的电压电流关系，得到端口的电压电流关系：

(1)

因此求得假设L1=L2，则等效电感变为原来的，由此可以看出变压器并联也是通过减小变压器原边电感量来实现动态性能的提高。

3 弧焊逆变电源系统PSpice仿真模型的建立

3.1 变压器匝数的仿真

PSpice仿真软件不同于其他仿真软件，在电力电子电路的动态性仿真过程中，不仅有着一定的数字混合仿真功能，而且还能仿真模型库的模拟过程[11]。PSpice仿真软件以其通用性、准确性和高效性等优点在电力电子电路辅助分析领域发挥了重要的作用[12]。PSpice仿真软件当中包含有多种变压器模型，其中线性变压器(XFRM_LINEAR)和由线性磁芯(K_Linear)构成的线性变压器在特定情况下可以当作理想变压器使用[13]。

应用PSpice仿真软件搭建变压器副边一匝或者两匝时电感值分别为6 μH和24 μH的两种不同变压器模型，来证明弧焊逆变电源动态性能的差异。如图9所示，搭建全桥逆变电路和全波整流电路，输入直流电压540 V，占空比由10%延时1 ms变为40%，变压器变比为8∶1，滤波电感L4为20 μH,负载电阻为0.03 Ω。

图9 主电路电路图

通过图10负载的电压输出波形可以看出，变压器副边为两匝时如图10a所示，逆变式弧焊电源给电弧供电的响应时间约为1.2 ms，通过图10b可以看出变压器副边为一匝时逆变式弧焊电源给电弧供电的响应时间约为0.6 ms,因此证明在保证其他条件不变的情况下，减少变压器的匝数可以提高逆变式弧焊电源的动态性能。

图10 负载电压输出波形

3.2 变压器并联系统的PSpice电路仿真

如11图所示，在图9用PSpice仿真软件搭建主电路的基础上，选择副边一匝电感值为6 μH，原副边变比8∶1时，原边电感值为384 μH的变压器作为仿真模型。选择两组这样的变压器模型原副边并联，搭建出如图11所示的主电路仿真模型。

图11 变压器并联主电路

通过PSpice软件对该主电路仿真出的负载电压输出波形可以看出，在保证副边绕组为一匝时，单一变压器的弧焊逆变电源给电弧供电的响应时间如图10b所示约为0.6 ms,并联变压器的弧焊逆变电源给电弧供电的响应时间如图10c所示约为0.3 ms。因此证明在保证其他条件不变的情况下，采用变压器原副边并联系统可以提高弧焊逆变电源的动态响应性能。

4 结论

(1)文中理论分析计算正确，建模仿真结果可靠，弧焊逆变电源响应速度提高的理论分析计算和建模仿真结果一致，对弧焊逆变电源的设计与开发可以起到指导作用。

(2)采用Simulink软件搭建的电源主电路模型和控制系统模型，证明变压器电感L对闭环动态性能有影响，随着变压器电感值减小，在负载瞬时变化时电流波形上升和稳定的速度明显加快，弧焊逆变电源动态性能明显提高。

(3)采用PSpice电路仿真软件对弧焊逆变电源系统的主电路和变压器模型进行建模，再现了其实际的工作过程，对接下来主电路参数的优化和探究弧焊逆变电源系统性能与主电路的参数关系具有指导性的意义。

(4)应用理论分析计算和建模仿真的方式证明，在保证变压器变比不变的条件下，减少变压器的匝数和通过应用变压器原副边并联的方式可以实现弧焊逆变电源系统动态性能的提高。