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第２Ｏ卷第３期 ２００６年９月 河海大学常州分校学报 Ｖｏ１．２０ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔ．２００６ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＯＨＡＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＣＨＡＮＧＺＨＯＵ 文章编号：１００９—１ １ ３０（２００６）０３—００３２—０４ 基于ＭａｔＬａｂ的弧焊桥式逆变电路仿真模型 田松亚，李万刚，孙烨，朱晓华 （河海大学机电工程学院，江苏常州 ２１３０２２） 摘要：为了分析焊接过程中全桥式逆变主电路的工作过程，应用ＭａｔＬａｂ的ｐｏｗｅｒｌｉｂ模块库搭建了逆变主电路模型 和电弧非线性负载模型．利用该模型可以对占空比、直流电抗器、ＲＣ吸收参数、变压器漏感、ＩＧＢＴ开关速度、短路频 率以及焊接过程中燃弧和短路的时间等参数进行设置．模型运行后，可以得到在焊接过程中ＩＧＢＴ的Ｕ 、， ，变压器 原副边的电压、电流，以及电弧电压、电流的仿真波形．电弧电压和电弧电流的仿真波形与实测波形基本符合，证明 所建的主电路仿真模型是正确的． 关键词：全桥逆变主电路：电弧负载；仿真模型；主电路参数 中图分类号：ＴＧ４３４ 文献标识码：Ａ 仿真技术随着计算机技术、仿真理论的发展得到了不断提高．目前，仿真技术在众多的研究领域中获得 了越来越广泛的应用．它缩短了科学研究的时间．降低了科学研究的成本和风险，促成了各种不同学科间的 融合．逆变弧焊主电路对电焊机的整体性能起着关键的作用．稳定、可靠的主电路是电焊机必不可少的重要 组成部分．主电路的工作过程很复杂．利用电路理论知识建立的数学公式很难求解．计算机仿真是解决这 类问题的有效方法．ＭａｔＬａｂ软件具有很强的仿真功能．本文中作者采用ＭａｔＬａｂ的ｓｉｍｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ模块 建立桥式逆变主电路仿真模型． １全桥式逆变主电路 全桥式逆变电路应用广泛．国内 外许多厂家（如时代、瑞凌、日本松下、 美国林肯等）生产的电焊机都采用此 主电路结构．该电路的优点是输出功 率较大．对功率开关管的耐压要求较 低．便于选管…． 全桥式逆变主电路的电路图如图 １所示．图中ＤＣ表示电网输入电压 经过整流滤波后得到的直流电，Ｏ１～ Ｑ４是４个１ＧＢＴ．其中，Ｑ１和Ｑ４是 一组，Ｑ２和Ｑ３是一组．电源的逆变 过程如下：当Ｑ１和Ｑ４开通，Ｑ２和 Ｑ３关断时，电源经过Ｑ１、变压器原 边、Ｑ４构成导通回路；当Ｑ１和Ｑ４由 开通到关断时，Ｑ２和Ｑ３并不是立刻 开通，而是继续关断一段时间后才开 图１全桥式逆变主电路 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 通，以防止直通现象的发生；当Ｑ２和Ｑ３开通，Ｑ１和Ｑ４关断时，电源经过Ｑ２、变压器原边、Ｑ３构成导通回 收稿日期：２００５—１２—２５ 作者简介：田松亚（１９６３一），男，江苏如皋人，副教授，主要从事逆变焊机等离子切割机的研究和教学丁作 、维普资讯 http://www.cqvip.com
第２０卷第３期 田松亚．等 基于ＭａｔＬａｂ的弧焊桥式逆变电路仿真模型 ３３ 路；当Ｑ２和Ｑ３由开通到关断时，Ｑ１和Ｑ４并不是立刻开通，而是继续关断一段时间后才开通，进入下一个 逆变过程：． 从图１中可以看到．在每个ＩＧＢＴ的集电极和发射极间都并联了一个阻容吸收网络ＲＣ．其作用是为了 吸收ＩＧＢＴ的集电极由于关断而引起的尖峰电压．保护ＩＧＢＴ．根据经验通常取Ｒ＝１６Ｑ．Ｃ＝１８ ｎＦ． ２全桥式逆变主电路仿真模型 ２．１ ＩＧＢＴ模块介绍［３ ＩＧＢＴ模块位于ｐｏｗｅｒｌｉｂ模块库中的Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ子模块库内，ＩＧＢＴ模块模拟一个半导体器件， 该器件由一个门信号进行控制．ＩＧＢＴ模块共有４个端口（见图５），其中Ｃ为信号输入端，ｇ为控制信号输入 端，Ｅ为信号输出端，ｍ端用于输出通过ＩＧＢＴ模块的电流 以及模 块两端的电压Ｕ ＩＧＢＴ模块实现的具体电路如图２所示． ———一。 由图２可知，ＩＧＢＴ模块实际上由一个电感、一个电阻、一个直 流电源和一个电源开关串联而成．其中电源开关由逻辑控制电路控 制．逻辑控制电路的控制源为逻辑信号ｇ（ｇ≥０）．如果集电极与发 射极之间的电压为正且大于直流电源的电压．则当ｇ＞０时．ＩＧＢＴ 模块导通：当ｇ＝０时．ＩＧＢＴ模块关闭．如果集电极与发射极之间的 电压为负．则ＩＧＢＴ处于关闭状态． 图２ ＩＧＢＴ模块仿真电路 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌａｒ ＩＧＢＴ模块在使用前必须对其参数进行设定。在模块参数设置 对话框中各个文本框的功能如下： ａ．文本框Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒｏｎ（Ｏｈｍｓ）用于设置图２中电阻Ｒ。 的值，一般取０．１ ｍＱ． ｂ．文本框Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ Ｌｏｎ（Ｈ）用于设置图２中电感Ｌ。 的值，一般取１ ｌｘＨ． Ｃ．文本框ＦｏｒＷａｒｄ ｖｏｌｔａｇｅ（Ｖ）用于设置图２中直流电压源的电压，一般取ｌ Ｖ． ｄ．文本框Ｉｎｉｔｉａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｃ（Ａ）用于设置通过ＩＧＢＴ模块的初始电流值，一般设置为０；如果设置为 大于０．则表明ＩＧＢＴ模块的初始状态是导通的． ｅ．文本框Ｓｎｕｂｂｅｒ ｒｅｓｉｓｉｔａｎｃｅ Ｒｓ（Ｏｈｍｓ）用于设置与集电极、发射极两端并联的电阻值，如果设置为 ｉｎｆ．则表明两者间不存在并联电阻，一般取１６～２０Ｑ． ｆ．文本框Ｓｎｕｂｂｅｒ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｃｓ（Ｆ）用于设置与集电极、发射极两端并联的电容值，如果设置为０，则 表明两者间不存在并联电容．一般取１５～２５ ｎＦ． ｇ．文本框Ｃｕｒｒｅｎｔ １０％ｆａｌｌ ｔｉｍｅ（ｓ）用于设置通过ＩＧＢＴ的电流下降到原通过电流的１０％时所需要的 时间．一般取１ ＬＬｓ． ｈ．文本框Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔａｉｌ ｔｉｍｅ（ｓ）用于设置通过ＩＧＢＴ的电流由原通过电流的１０％下降到０时所需的时 问，一般取２ ＬＬｓ． 参数Ｃｕｒｒｅｎｔ １０％ｆａｌｌ ｔｉｍｅ（ｓ）和Ｃｕｒｒｅｎｔｔ ａｉｌ ｔｉｍｅ（ｓ）的设置涉及到ＩＧＢＴ的关闭特性．当信号ｇ降 为０后，ＩＧＢＴ模块的关闭过程大致可分为２个阶段．在第１阶段，集电极电流从最大值降到最大值的１０％： 在第２阶段．集电极电流由最大值的１０％下降到０． ２．２电弧非线性负载模型 熔滴短路过渡过程为非线性过程，其电弧负载表现为高度非线性．电弧负载的等效模型如图３所示此 ．模型虽然是电弧静态关系模型，但在动态过程研究中，由于燃弧电压与电流的关系仍可视作线性关系．燃弧 电压与电弧弧长之间的影响是无惯性的 ．因此该电弧模型可作为电弧动态模型． ＣＯ！气体保护焊熔滴短路过渡的过程分为燃弧阶段和短路阶段，电弧负载在这２个阶段具有不同的特性． 在燃弧阶段电弧负载电压ｕ。由焊丝干伸长压降ｕ 、弧柱压降ｕ 、阴极和阳极压降之和ｕ 三部分组成々Ⅱ图３所示： ．若焊丝干伸长电阻为尺．，回路电流为 ，弧柱电位梯度为Ｅ。，电弧弧长为Ｚ则燃弧电压为： 。，． ｕ。：Ｒｌ×ｉ＋Ｅｌ×Ｚ ＋ｕ３ 在短路阶段的短路电压为． ｕ ＝Ｒ１× 维普资讯 http://www.cqvip.com
３４ 河海大学常州分校学报 ２００６年９月 式中．尺 和 可由试验确定，ＣＯ 气体保护焊电弧的弧柱电位梯度Ｅ。＝１．７７ Ｖ／ｍｍ． 图３所示的电弧负载模型在ＭａｔＬａｂ仿真中的实现方式如图４所示，用Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ １模块实现短路和 燃弧的切换．用恒压源等效阴极与阳极的压降之和．短路时，Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ １导通，Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ ２关断，此时 恒压与负载电路断开：燃弧时，Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ １关断，Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ ２导通．Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ １和Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ ２ 的驱动脉冲Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔ０ｒ １和Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ２反相，改变Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ驱动脉冲的周期和脉宽，可 以实现对短路频率和焊接过程一个焊接周期中燃弧和短路时间的调节． 开关Ｋ导通时为短路状态， 炎断时为燃弧状态 图３电弧负载等效模型 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｅ ｌｏａｄ 图４电弧负载仿真模型 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃ ｌｏａｄ 一般逆变主电路的调试常用电阻箱作为负载，电阻箱负载是阻性负载．与实际焊接过程中电弧的非线性 负载存在很大的差异．这给主电路的调试带来了不便：而应用上述电弧负载模型，可以方便地对主电路进行 焊接过程的仿真． ２．３仿真电路模型 仿真时，首先利用ｓｉｍｐ０ｗｅｒ ｓｖｓｔｅｍ提供的电路元件模型建立主电路模型，然后接入电弧负载的封装模 块．构建出如图５所示的桥式逆变主电路模型（测量模块从略），模型中的ＩＧＢＴ模块由Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ模 块驱动． 图５弧焊逆变主电路仿真模型 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ３仿真与实验 运行仿真模型，得到的电弧负载电压和电流的波形如图６所示．仿真模型中中频变压器的变比为１：８． ＩＧＢＴ的驱动频率为２０ ｋＨｚ，电抗器Ｌｌ的电感为１００ Ｈ． 实验测得的电弧电压和电流波形如图７所示．实验选用北京时代公司的ＺＰ７—５００型逆变焊机．焊丝 直径为１．０ｍｍ．收弧电流为３００Ａ．收弧电压为３０Ｖ． 对比图６、图７可以发现，仿真波形与实测波形基本一致，说明所建的仿真模型是正确的． 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２０卷第３期 田松亚．等 基于ＭａｔＬａｂ的弧焊桥式逆变电路仿真模型 ３５ ４Ｏ ４Ｏ 一 三 ２ｏ ０ ３００ 《２２５ Ｕ 、、２Ｏ Ｕ Ｕ Ｌ 三 ２ｏ ０ ３００ １５０ ７５ ０ ｌＯ 八八／ —《２２５ ７５ Ｏ １５０ ３０ ４０ ５Ｏ ｌＯ ２Ｏ 几 ３Ｏ ４０ ５０ ，／ｍｓ ，／ｍｓ 图６仿真电弧的电压和电流波形 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃ 图７实测电弧的电压和电流波形 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃ 参考文献 １ 黄石生．弧焊逆变理论与弧焊逆变器［Ｍ ３．北京：机械工业出版社，１９９５． 赵家瑞．逆变焊接与切割电源［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９５． 钟麟，王峰．ＭａｔＩ ａｂ仿真技术与应用教程［Ｍ ３．北京：国防工业出版社，２００４． Ｒｅｈｆｅｌｄｔ Ｄ，潘际銮．焊机动态特性对熔滴短路过渡过程的影响［Ｊ］．电焊机，１９７９，（４）：７－１７ 卢本，王大麟，王飞龙．焊接自动化基础［Ｍ］．武汉：华中工学院出版社，１９８５． ２ ３ ４ ５ ＭａｔＬａｂ－ｂａｓｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｍａｉｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＴＩＡＮ Ｓｏｎｇ—ｙａ，ＬＩ Ｗａｎ—ｇａｎｇ。ＳＵＮ Ｙｅ，ＺＨＵ Ｘｉａｏ—ｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃ ｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｒｅ ａｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒｌｉｂ ｉｎ ＭａｔＬａｂ．Ｍａｎｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｏｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ，ＤＣ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ， ｖａｌｕｅ ｏｆ ＲＣ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｌｅａｋａｇｅ，ｓｗｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＩＧＢＴ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｉｍｅ ｏｆ ａｒｃ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｃ ａｎｄ Ｕ ｏｆ ＩＧＢＴ ａｎｄ ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｎｐｕｔ ｓｉｄｅ，ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ａｒｅ，ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；ａｒｅ ｌｏａｄ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ