微束等离子弧焊电源的Saber仿真研究

马为红，刘 嘉，卢振洋，杨 帅，白立来

（北京工业大学 机电学院，北京 100124）

0 前言

微束等离子弧焊是一种高温、高能量密度、高电离度的焊接方法，它具有电弧收缩、能量集中、适用于薄壁件焊接的特点，在日趋小型化、精密化的零件、设备的制造过程中应用前景广阔。微束等离子弧焊接技术在薄壁零件的精细加工领域正受到越来越多的重视与应用。微束等离子焊接的焊接电流小于30 A，微束等离子弧焊电源的显著特点是小电流焊接、输出电流纹波小[1-3]。

本研究针对微束等离子弧焊晶体管电源进行Saber仿真研究，主要研究晶体管微束等离子弧焊电源输出小电流稳定性问题。微束等离子弧焊电源通常有主弧和维弧两个电源。维弧电源采用2～5 A的直流源。在此主要研究分析微束等离子弧焊的主弧电源。

本研究仿真工具采用Saber电路仿真软件，它具备丰富的电力电子、电源专用器件和功率电子器件库；可以将电路模块用一个符号表示，进行层次化设计；可以进行瞬态分析、DC直流分析、AC频率响应分析等。它完全适用于微束等离子弧焊晶体管电源的仿真分析。

1 微束等离子弧焊晶体管电源仿真模型

微束等离子焊接电流小于30 A，最小可以达到0.05 A。微束等离子弧焊电源一般采用分档处理电流数量级相差比较大的问题[4]。本研究主要针对稳定焊接电流小于5 A的情况进行分析。

1.1 微束等离子晶体管电源主电路模型

晶体管电源主电路模型如图1所示。三相380 V电压输入到焊机Y-Y型变压器，经过降压得到星型联结约30 V的三相电，再经过整流滤波得到近似70 V的直流电，通过V晶体管，与采样分流器、滤高频的电感和负载形成一个回路。K为反馈控制电路。V在电源中的应用为共射极连接方式，研究其放大过程主要是分析集电极电流（输出电流）与基极电流（控制电流）之间的关系[5]。

图1 主电路模型

晶体管Q原理如图2所示。Q由两级驱动晶体管V1、V2和多个并联的BJT功率晶体管组成，每个晶体管发射极都有均衡电流的电阻。两级驱动晶体管由K反馈控制电路驱动。K反馈控制电路给定一个小电流信号就可以逐级放大两级驱动晶体管的发射极电流，最终放大并联BJT的集电极电流即回路输出电流。

图2 晶体管V组成原理

1.2 反馈控制器模型

反馈控制器K模型如图3所示。G为给定信号，经过运放N2反向放大，得到负电压信号S1；分流器上采样信号经运算放大器N1差动放大[6]，得到放大约200倍的负电压信号S2；过电流检测信号S3，使S3=0 V。三路信号经过运放N3做积分运算处理，得到驱动晶体管的基极电流信号VB。

1.3 电源总体模型

微束等离子弧焊电源总体仿真模型如图4所示。放大控制器对给定的电压信号和分流器采集的电压信号进行运算处理，产生晶体管放大电路的基极电流信号，形成了放大电路的闭环控制。

图3 反馈控制器仿真模型

2 仿真结果分析

2.1 电源输出电流纹波分析

2.1.1 主电路电容C对输出电流纹波影响

图4 微束等离子弧焊电源总体模型

给定 G=1 V，负载电阻 R=1 Ω，C 为 470 μF 和2000 μF时负载电压波形如图5所示。当C=470 μF时，纹波为 1.8341 V-1.8239 V=0.0102 V，0.0102 V/1.8239 V=0.56%；当 C=2000 μF 时，纹波为 1.8283 V-1.8239 V=0.0044 V，0.0044 V/1.8239 V=0.24%，可见选择一个大容量电容C可以很好地抑制输出电流纹波。电容C为整流输出的脉冲电流信号提供电量缓冲，它使整流桥输出电流平滑，最终降低负载电流纹波。当电源断电时，电容C通过功率电阻R放电。

图5 C=470 μF、C=2000 μF 时输出电流纹波

2.1.2 闭环控制环节对输出电流纹波影响

仿真条件：给定G=1 V，负载电阻R=1 Ω。在图6a为采样放大之后的信号S2；图6c为运放F3输出电压信号；图6d为加闭环控制的负载电压信号，平均值为 1.8239 V，计算出纹波为（1.8275 V-1.8239 V）/1.8239 V=0.2%；图 6b 为去掉闭环控制器，直接给定图6c的平均电压5.7098 V时所得到的负载电压信号，Umax=1.842 V、Umin=1.7535 V，平均值为1.8089 V 对应纹波为 1.83%～3.06%。由图 6d与图6b的纹波大小明显可知加闭环控制环节能够大幅度减小负载电流的纹波。反馈控制器上的运放F3对采样放大后的信号S2和给定的反向放大信号S1做积分滤波处理，降低采样信号S2上的纹波对电源输出电流的影响。

2.1.3 给定信号上纹波对输出电流纹波影响

图6 有无闭环控制负载电压波形

为了验证给定信号上纹波与输出电流纹波的关系，初步需要验证两方面的内容：（1）当给定G加上固定纹波时，负载电阻的改变是否会对输出电流的纹波产生影响；（2）给定信号G上依次叠加不同幅值的纹波，固定负载电阻上负载电流纹波的变化规律。

选定给定G=71 mV此时恒流为0.10066 A时的小电流情况进行分析研究。为了验证内容1，在给定G上叠加一个固定纹波，依次给定不同电阻观察负载电流变化，叠加的白噪声纹波配置如图7所示。

图7 白噪声参数设置

根据图7的设置，给定71 mV上的噪声幅值大约14 mV。加不同负载电阻与输出电流关系，如图8所示。

图8最底层为71 mV直流源叠加大约14 mV幅值白噪声后的电压波形。由图8可知，当电阻为0.1 Ω、1 Ω、10 Ω 时，负载电压连同噪声等比例放大10倍，因此可以得出在图7所设置的白噪声下，负载电阻的变化不影响负载电流噪声变化。这样在焊接过程中，当电弧被拉长时，其电弧负载的变化并不会对负载电流纹波产生影响。

图8 给定加上噪声后不同负载电阻对应的输出电压波形

为了验证内容（2），给定G仍然为71 mV取负载电阻为10 Ω，给定信号上加不同程度的噪声，观察对应负载电压噪声变化，如图9所示。

图9 给定噪声与负载电压噪声对应关系

图9 中 a0、b0、c0 为白噪声波形，a0、b0、c0 白噪声的noise_power分别为1e-9、1e-8、5e-8。图9中a、b、c分别对应其负载电压波形。图9中d为给定G没有噪声时的负载波形，负载电压平均值为1.006 V，纹波不到1%。根据图9的数据得出给定纹波与负载电流纹波关系如表1所示。

表1 给定纹波与负载电流纹波

由表1可知，随着给定信号上纹波的增大，负载电流的纹波也会随之增大，负载电流纹波增大比例小于给定上的纹波增大比例，说明本模型系统对给定G信号上的纹波有一定的滤除作用。因此要尽可能地降低系统给定G上的纹波以减少其对输出负载电流纹波的影响。

2.2 电源恒电流输出特性仿真

根据所建电源仿真模型可以得到微束等离子电源的外特性。给定信号G=1 V时的外特性曲线如图10所示。由外特性曲线可知其电源特性为恒电流源，拐点在电压 72.951 V、电流 1.824 A 处，此刻负载为40 Ω。即当负载电阻小于40 Ω时，能够得到不随电压变化的恒电流源，输出为1.824 A。数据如表2所示。

图10 给定为1 V时恒电流外特性

2.3 负载电阻突变仿真

当负载电阻突变时，对电源系统的响应特性和稳定性分析至关重要，本仿真考虑给定G为1 V，负载由 0.5 Ω 瞬间变为 20 Ω 时，负载电压的变化如图11所示。当负载为0.5 Ω时，负载电压为0.91182 V，负载突变为 20 Ω 时，电压有过冲现象，然后过渡到36.489 V。电流从 1.8236 A变到1.8245 A，电流会顺利过渡，最小过渡时间小于1.5 ms。

表2 给定G=1 V时负载电压、电流值

图11 负载从0.5 Ω突变到20 Ω时负载电压波形

2.4 系统仿真

选定仿真区间范围：负载电阻 0.001～100 Ω，给定G为0.05～2.71 V。在此仿真区间范围内给定连续变化的电压信号能够快速稳定地得到连续变化的负载电流信号。表3为负载电阻为1 Ω，给定电压G从0.05～2.71 V连续递增变化时的一组给定电压与负载电流数据。给定最小为0.05 V时，对应负载电流 0.063 A，给定 G 为 2.71 V 时，负载电流为4.996 A 接近 5 A。

2.5 仿真结果

（1）仿真模型有很好的响应特性，给定连续的电压信号可以快速稳定地得到对应的负载电流信号。

（2）给定信号上的纹波增大会造成电源系统输出电流纹波随之增大，负载电流纹波增大幅度小于给定信号上纹波的增大幅度。

表3 给定电压信号与负载电流对应值

（3）负载电阻在一定范围内变化时，不会对负载电流纹波产生影响。

（4）选择大容量值的主电路滤波电容和采用运放积分器的闭环控制可以有效地抑制负载电流上的纹波。

（5）微束等离子弧焊电源具有陡降外特性的恒电流源。

（6）当负载瞬间突变时，负载电压虽有过冲现象但仍可以快速到达稳态。

3 结论

通过在Saber仿真软件上实验，建立了微束等离子弧焊晶体管电源的系统模型。研究分析了该模型的响应特性、开环特性、闭环特性、静特性、动特性、输出纹波等。其陡降的外特性决定在一定的负载电阻范围内，恒电流源可以稳定地得到不随电压变化的焊接电流。当高能量束电弧被拉长时，负载电阻将发生变化，但负载仍然可以得到稳定不变的焊接电流，并且不会增加焊接电流上的纹波。

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2版第1卷）——焊接方法与设备[M].北京：机械工业出版社，2001：169-195.

[2]巴顿BE.微束等离子弧焊接.罗津如，钱昌黔，译.北京：机械工业出版社，1983.

[3]潘丽华.微束等离子焊接[J].上海航天,1999（3）：61-64.

[4]何建萍.微束等离子焊小电流问题的研究[J].上海工程技术大学学报，1999（2）：97-101.

[5]康华光.电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2001：67-89.

[6]段尚枢.运算放大器应用基础（第二版）[M].哈尔滨工业大学出版社，1998：44-46.