摘 要

弧焊技术在现代工业生产中的应用十分广泛，弧焊技术的发展离不开弧焊电源，弧焊电源需要计算机仿真软件协助实现模拟设计，而MATLAB软件符合这一需求。

通过分析和理解弧焊电源中晶闸管式弧焊整流器、IGBT逆变式弧焊电源、软开关逆变电源主电路各个主电路的主要工作原理，明确各个主电路的基本形式，以MATLAB/Simulink为仿真实验的基础模块，对晶闸管式弧焊整流器的三相桥式电路、带平衡电抗器的双反式星形整流电路以及IGBT式弧焊逆变器、软开关型弧焊逆变器进行模拟及仿真。仿真过程中对电路中各部分的工作情况和输出的结果进行理论分析，建立相应的主电路模型，对各工作元件进行参数的调节，仿真得出结果。对比仿真结果与理论分析结果，检测仿真电路的准确性。

将MATLAB仿真软件引入弧焊电源的知识教学，运用MATLAB/Simulink /SimPowerSystems模块工具进行建模和仿真，不仅可以弥补实验仪器、元器件不足等因素影响，而且学生还可以观察到各个元器件上动态电流、电压波形，更好地了解元器件功能，从而提高教学效果。

关键词:晶闸管整流器；逆变器；仿真；MATLAB

Abstract

Arc welding technology are widely used in modern industrial production, the development of welding technology inseparable from the arc welding power source, the simulation of arc welding power source need computer simulation software, and MATLAB software comply with this requirement.

Analyze and understand the principle of arc welding power supply(Thyristor arc welding rectifier, IGBT arc welding power supply, Soft switch inverter power supply). Specify the basic form of the main circuit, and MATLAB/Simulink is the basic module of simulation experiment, Simulation experiment is carried out for the thyristor arc welding rectifier(Three-phase bridge semi-controlled rectifier circuit, three-phase bridge type full control rectifier circuit, and a balanced reactor with dual anti-star shape control rectifier circuit), IGBT arc welding inverter and soft switch arc welding inverter. In the simulation, making a theoretical analysis of the work situation and the output of the circuit, establishing the corresponding main circuit model, adjusting the parameters of each work element, and the simulation results are obtained. Comparing simulation results and theoretical analysis results, the accuracy of simulation circuit is detected.

The knowledge teaching of arc-welding power supply is introduced by MATLAB simulation software, modeling and emulation using MATLAB / Simulink/ SimPowerSystems module tools, not only make up for a lack of experimental apparatus and other factors, and students can also observe the dynamic current waveform and voltage waveform on all components, students can have a better understanding the components function, so as to improve the teaching effect.

Keywords: Thyristor rectifier; Inverter; simulation; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内弧焊电源的研究现状 2

1.3 本课题的主要研究内容 3

第2章 晶闸管式弧焊整流器的主电路仿真 4

2.1 晶闸管式弧焊整流器主电路的工作原理及特点 4

2.2 三相桥式半控整流电路的分析与仿真 4

2.2.1 三相桥式半控整流电路的工作原理 4

2.2.2 三相桥式半控整流仿真电路的建立 6

2.2.3 三相桥式半控整流电路的仿真结果 7

2.3 三相桥式全控整流电路的分析与仿真 9

2.3.1 三相桥式全控整流电路的工作原理 9

2.3.2 三相桥式全控整流仿真电路的建立 10

2.3.3 三相桥式全控整流电路的仿真结果 12

2.4 带平衡电抗器双反星形可控整流电路分析与仿真 14

2.4.1 带平衡电抗器双反星形可控整流电路的工作原理 14

2.4.2 带平衡电抗器双反星形可控整流仿真电路的建立 15

2.4.3 带平衡电抗器双反星形可控整流电路仿真结果 16

第3章 IGBT式弧焊逆变器主电路的仿真 19

3.1 IGBT式弧焊逆变器主电路的基本形式 19

3.2 IGBT式弧焊逆变器的工作原理 19

3.3 IGBT式弧焊逆变器仿真主电路的建立 20

3.4 IGBT式弧焊逆变器主电路的仿真结果 21

第4章 软开关型弧焊逆变器主电路的分析与仿真 24

4.1 软开关型弧焊逆变器的基本形式 24

4.2 软开关型弧焊逆变器的工作原理 24

4.3 软开关型弧焊逆变器仿真电路的建立 25

4.4 软开关型弧焊逆变器的仿真结果 26

第5章 全文总结及展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 展望 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

焊接是通过运用加热或加压的方式，用或不用填充材料，使被焊工件达到原子间结合，并形成永久性固定连接的技术，其性能比较优越，焊接有着其他连接方式无法替代的优点，因而在重工、化工、电子、航空等领域中应用十分广泛。同时为焊接技术提供能源的焊接电源是焊接技术应用当中的重要环节，弧焊电源是实现焊接的重要设备，尤其是是逆变焊机，其性能比较突出。近年来，随着应用领域的增加，应用环境也越来越复杂，对弧焊电源的性能提出了更高的要求^[2]。

焊接电源开发从19世纪就已经开始了。到了上个世纪开发出了交流弧焊变压器，上世纪60年代，由于硅整流元件、晶闸管元器件等新型开关的研制开发成功，成功的研制了硅弧焊整流器^[3]。之后，随着功率场效应管（MOSFET）、晶体管（GTO）、IGBT管等大功率电子元器件的出现和集成电子电路技术的发展，它们被应用到弧焊电源上，后来经历了短时间的发展，科技人员开发出了相应的弧焊整流器，之后更是出现了各种各样的新式开关管。在弧焊电源技术中，晶闸管是比较常见的电子元器件之一。由于实验设备价格昂贵、设备故障维修困难，在教学和结构设计中常常使用各种仿真软件工具^[9]。目前许多文献当中都对弧焊电源仿真进行了研究，并且利用FLASH、MATLAB等仿真软件工具对弧焊电源的特性进行研究^[11]。

逆变焊机经历了最初的晶闸管、晶体管、场效晶体管，现在主要是绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变焊机。逆变焊机的广泛应用是根据以下四个优点：

1. 设备体积小、重量轻
2. 生产效率高、节能
3. 电源动特性良好和弧焊性能优异
4. 设备的成本相比其他的要低

IGBT是20世纪80年代出现的复合型元器件，在20世纪80年代早期，GTO晶闸管和双极型功率晶体管器件仍然是中大型电力电子应用中的关键装置^[7]。然而在低电压应用中，是非常需要具有快速开关特性的MOS栅器件，主要是为了PWM控制载波频率的进一步提高。虽然MOSFET提供了低的控制功率和快速开关特性的优点，与双极型功率晶体管相比，随着击穿电压的增加，其导通电阻的急剧增加导致功率处理能力下降。因此，为了适应更高的电压系统，一类基于双极性和MOS物理性能相结合新的功率器件已经被研制出来，在这种情况下，出现了IGBT。IGBT管集合了场效应管和晶体管的优点，具有输入阻抗值高、切换速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等特点^[6]。

同时建模和仿真是弧焊电源仿真中非常重要的一环。仿真可以观察弧焊电源的性能，并且在仿真实现之前进行电路的分析，这可能会提高仿真效率和时间。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。常用的弧焊电源仿真方式通常有两种：一是编辑完成电路中单个元器件模型，然后把众多单个元器件连成完整电路进行仿真；另一是把整个逆变电源看成一个整体进行模拟仿真。仿真工具MATLAB/Simulink因具有编辑可视化以及极高的编程效率，对该类系统的仿真研究具有极大的优越性，使逆变电源的计算机辅助分析和设计迈向可视化的方向^[13]。

1.2 国内弧焊电源的研究现状

随着弧焊电源技术的快速发展，特别是逆变技术的成熟，使得弧焊逆变电源成功地商品化，并且成为工业方面的高新技术代表之一，从而使弧焊逆变电源成为颇有前景的焊接设备。世界各国为工业进步都注重逆变焊机的发展，据资料报道，日本气保焊机的40%，整流焊机的30%，美国整流焊机的15%已采用逆变式焊机^[3]。

1982年我国华南工学院的科研人员初步开发成功了场效应管式弧焊逆器。第二年成都的焊机研究所又开发了晶闸管式弧焊逆变器。随着弧焊电源科研方面的初步成功，清华大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等高校和研究所都开始致力于弧焊逆变电源的研究和开发，从上世纪90年代开始，我国焊接电源研制能力进入快速发展的阶段。逆变式弧焊电源相比于其它电源的优点在于其功能性好、体型小、节约制造材料、减少耗电量、效率高等，因而得到比较广泛的应用。在如今，逆变式弧焊电源已经成为我国市场中最重要的焊机形式^[3]。目前，我国逆变电源产品经历了不断地发展：第一代的功率元器件主要为晶闸管（可控硅）；第二代是晶体管式逆变器（GTO）；第三代是场效应管（MOSFET）逆变器；第四代是IGBT逆变器。我国一些厂家可以批量生产80年代国际水平的晶闸管式逆变弧焊整流器，技术比较成熟，可靠性高，批量生产较大，如ZX7系列。GTO、MOSFET式和IGBT式的生产国外走在前沿，目前国外可生产500A IGBT式弧焊逆变电源，在批量生产和可靠性方面的技术也日趋成熟。但是还有几个待解决的问题：

1. 逆变主电路、电子控制电路和驱动电路的结构合理性和系统运行的稳定性
2. 变压器中磁性材料的合理选取以及变压器运行过程中的温度控制
3. 不同焊接工艺下对弧焊电源的调节
4. 电磁兼容性和完善的保护

弧焊逆变电源已成为现今最主要的焊接电源，为了符合现代化发展的趋势，我国焊接电源的开发技术人员，不断地改进产品质量和提高技术优越性，致力于发展高效节能的新型弧焊电源。目前我国的弧焊电源的研究趋势具体体现在以下几个点：

1. 弧焊逆变电源系统中的电力电子元器件的多样化
2. 逆变电源主电路的拓扑结构的多样化
3. 弧焊逆变电源外特性的多样化
4. 弧焊逆变电源的智能化和自动化^[3]

1.3 本课题的主要研究内容

通过文献调研了解弧焊电源仿真研究的发展概况，熟练掌握各类弧焊电源系统的工作原理，主要包括晶闸管弧焊整流器、IGBT式弧焊逆变器、软开关型弧焊逆变器。学习并掌握MATLAB仿真软件，利用MATLAB软件对典型弧焊电源进行编程和参数化仿真，加深弧焊电源主电路原理的了解。

1. 通过分析三相桥式半控、三相桥式全控和带平衡电抗器双反星形三种主电路结构组成，掌握电路的工作原理，建立仿真电路模型，得出仿真结果，对比分析三种电路的不同之处。
2. 了解IGBT管与晶闸管的不同之处，掌握IGBT 式弧焊逆变器逆变电路逆变原理，搭载主电路仿真模型，观察逆变电路输出电压的波形，分析IGBT管的作用和逆变电路机理。
3. 对比软开关式与硬开关式，掌握软开关式对比与硬开关的优势，同时还有软开关式主电路与硬开关式主电路的区别，搭载软开关式主电路的仿真模型，观察软开关式逆变电路中IGBT管与硬开关中IGBT管输出电压波形的区别。

第2章 晶闸管式弧焊整流器的主电路仿真

2.1 晶闸管式弧焊整流器主电路的工作原理及特点

典型晶闸管式弧焊整流器的结构组成，如图2-1所示。主电路由连接三相电源的三相变压器T、晶闸管组V和直流电抗器L组成。维弧电路由二极管组VD和限流电阻构成。控制电路由给定电路G、触发电路、比较电路和检测电路M组成。

图2.1 晶闸管式弧焊整流器原理图

触发电路调控晶闸管组V，触发电路的移相使晶闸管组导通角的改变，晶闸管导通角越大，则焊接电流（电压）也越大。整流器外特性是通过检测电路检测到的电流、电压信号调节得到的，当需要获得下降外特性时，触发脉冲的相位由检测电路M检测的电压和电流反馈信号经比较电路后得到的。

主要特点：

1. 控制性能好
2. 动特性好，响应速度快
3. 调节性能好
4. 节能省材^[8]。

2.2 三相桥式半控整流电路的分析与仿真

2.2.1 三相桥式半控整流电路的工作原理

1. 电阻性负载，其主电路结构如图2.2所示。

图2.2 三相桥式半控整流的电阻性负载主电路图