基于Multisim10的電動機控制電路仿真設計與分析

賀 利

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

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基于Multisim10的電動機控制電路仿真設計與分析

賀 利

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

Multisim在電子電路的仿真中應用很廣泛，但對電動機控制電路的仿真相關的文獻卻很少。文章通過設計實例給出了Multisim在電動機控制電路中的應用。仿真結果表明，用multisim來仿真電動機控制電路，可以提高學生實驗前預習的效果，幫助學生了解常用低壓控制電器的工作原理和使用方法，掌握電動機控制電路的設計思路，熟悉實驗過程，提高實驗效果。

Multisim10； 仿真； 電動機控制電路

0 引 言

Multisim是美國國家儀器公司推出的電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。包含了數千種虛擬電路元器件以及二十多種虛擬儀器、儀表，軟件界面形象直觀、操作方便、易學易用、學生可以在較短的時間里掌握，使得Multisim廣泛應用于電工電子電路相關課程的理論和實驗教學中。實踐證明，Multisim在提高教學效果，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力等方面起了很大的作用[1-9]。然而在眾多的Multisim仿真書籍[10-14]和文獻中，有關電動機控制電路的仿真涉及很少，僅在文獻[15-16]中仿真了電動機正反轉電路。電動機控制是“電工電子學”的重要章節(jié)，學生通過此章的學習，不僅要掌握電動機的基本控制電路，更要掌握控制電路的設計原則、設計思路，為后續(xù)PLC控制打下基礎。如何使學生更好地掌握控制電路的設計原則、設計思路，僅靠兩三個實驗是很難實現(xiàn)的。由于學時有限，實驗資金、場地有限，不可能增加更多的實驗來加強學生的訓練。用Multisim10仿真電動機控制電路，利用其提供的實驗平臺，加強學生設計思維訓練，再與實驗室動手實驗相配合，達到相輔相成、事半功倍的目的。

1 Multisim10機電類元件庫簡介

電動機控制電路所用的主要控制電器位于multisim10機電類元件庫“Electro_Mechanical”的元件箱中。各種按鈕、閘刀開關在sensing_switches、momentary_ switches、supplementary_contacts等元件箱中，仿真器件同實際器件操作動作一致。接觸器、時間繼電器、熱繼電器在coil_relays、timed_contacts元件箱中，線圈所用電源均為直流電，與實驗室所用電源不同，但其工作原理和實驗室所用的接觸器一樣，線圈得電，各觸點動作，線圈失電，各觸點恢復常態(tài)，因此可以用來仿真實際接觸器。圖1中的仿真電路驗證接觸器功能和使用電源的情況。三相電動機在output_devices元件箱中。Multisim10提供的仿真電器的類型比實驗室提供的多得多，且使用起來無數量限制，無損害賠償的擔憂，無觸電傷及身體的危險，這些也是使用仿真軟件的優(yōu)點。

圖1 接觸器功能與所用電源驗證

2 Multisim10設計電動機控制電路的原則

由于學生成長經歷所限，對接觸器、時間繼電器等控制電器感性認識很少，上課時通常采用圖片、動畫等手段向學生講授電器的結構、工作原理、控制電路的組成、工作過程等。在實驗室，學生通過接線、操作控制電路，進一步熟悉控制電器的功能，了解控制電路的操作過程。為了更好地利用實驗時間，達到實驗效果，傳統(tǒng)做法是要求學生寫預習報告來熟悉實驗內容?？v觀多年的教學經驗來看，預習報告基本上沒有達到熟悉實驗過程的目的，這不能完全責怪學生沒有認真預習，僅在紙上畫出控制電路，其正確與否學生很難判斷。對于預習，學生有紙上談兵的感覺?，F(xiàn)在，隨著計算機的普及，可以保證每個學生有電腦可用。Multisim本身具有操作簡單、易學易用的優(yōu)點。因此，在預習環(huán)節(jié)，可以充分發(fā)揮Multisim強大的仿真能力，讓預習不再是紙上談兵的事。用Multisim10設計電動機控制電路時，我們強調的是控制功能的實現(xiàn)與控制結果的展現(xiàn)。控制功能的實現(xiàn)檢查了設計思路是否正確，控制結果的展現(xiàn)便于仿真者觀察、思考。因此，用Multisim10設計電動機控制電路時，根據控制要求，將三相負載改成單相負載，用燈泡代替電動機，達到簡化仿真電路的目的。簡而言之一句話，Multisim10設計電動機控制電路的原則是器件不變、負載簡化、仿真思路、驗證功能。

3 Multisim10仿真電動機控制電路的實例

3.1 實例1 三相異步電動機正-停-反控制電路

圖2是根據實驗電路設計的仿真電路，圖3是簡化的仿真電路。兩個仿真電路的操作過程如下：按下SBF(即按下鍵C)，KMF得電，圖2電流表的讀數分別為108.649、108.645和104.927 A，表示電動機正轉，圖3正轉燈亮表示電動機正轉。在電動機正轉期間，按下SBR，KMR不得電，電動機不能反轉，反轉燈不亮。按下SB1(即按下鍵A)，KMF斷電，圖2電流表的讀數幾乎為0，表示電動機停車，圖3正轉燈滅表示電動機停車。再按下SBR(即按下鍵C)，KMR得電，圖2電流表的讀數分別為108.649、108.645和104.927 A，電動機反轉，圖3反轉燈亮表示電動機反轉。從兩個仿真電路的操作過程可以看出圖2、圖3都可驗證互鎖的功能，仿真了電動機正-停-反控制的控制思路，實現(xiàn)了電動機正-停-反控制，對實驗有指導作用。相比較，圖3接線簡單，費時少，實驗現(xiàn)象更明顯，學生做起來更容易些。

圖2 電動機正-停-反控制電路的仿真電路

3.2 實例2 順序控制

根據要求，繪出控制電路(M1和M2都是三相異步電動機)。M1啟動后，M2才能啟動，M2并能點動。

學生預習的控制電路很多設計的如圖4所示。其中的錯誤有二：①不能保證在任何操作過程中都有M1啟動后M2才能啟動。比如，先按下SB4，M1沒有啟動，M2可點動；②在保證了M1啟動后M2才能啟動的順序要求，M2不能實現(xiàn)點動。出現(xiàn)這些錯誤反映了學生對整個控制電路的動作過程不熟悉，設計時只是按順序考慮，而忘了考慮整體。對于剛學習接觸繼電器控制電路的學生來說，在頭腦中抽象地運行控制電路來檢查設計是否正確，遠不如對著仿真電路動手操作來得更具體更有趣些。此控制電路的multisim10簡化仿真電路如圖5所示。根據圖4設計的仿真電路需將圖5中橢圓標記部分用導線連接。當按下SB2，M1亮，再按下點動按鈕SB4時，M2亮，當松開按鈕SB4時，M2依舊亮，沒有實現(xiàn)點動，觀察電路，很容易發(fā)現(xiàn)問題出在KM2自鎖觸點支路。錯誤在預習時就可以發(fā)現(xiàn)，進而找到解決方案，在KM2自鎖支路串一個開關(橢圓標記部分)，到實驗室做實驗時就不會犯同樣錯誤。對于圖5仿真電路，先按下SB4，M2并不亮，其原因在于，在連接仿真電路時，將圖4中SB4的觸點a接到b的位置，這就從電路結構上保證了M1啟動后M2才能啟動的順序要求，更正了圖4的另一個錯誤。

圖3 電動機正-停-反控制電路的簡化仿真電路

圖4 實例2錯誤的控制電路

圖5 實例2的仿真電路

3.3 實例3 時間控制

根據要求，繪出控制電路(M1和M2都是三相異步電動機)。M1先啟動，經過一定延時后M2能自行啟動，M2啟動后M1立即停車。

該控制電路有多種實現(xiàn)方案，比如時間繼電器的線圈在M2啟動后依舊得電，也可以在M2啟動后斷電，即和KM1同時斷電。本方案選取時間繼電器的線圈在M2啟動后斷電。仿真電路如圖6所示。操作過程如下。按下SB1，KM1得電，M1亮(表示電動機M1啟動)，自鎖觸點閉合，同時時間繼電器KT得電，計時開始。計時時間到(20 ms)，時間繼電器KT的通電延時閉合觸點閉合，KM2得電，M2亮(表示電動機M2啟動)，同時KM2的常閉觸點打開，使得KM1、KT斷電，M1滅(表示電動機M1停車)。按下SB2，M2滅(表示電動機M2停車)。在M2亮期間，按下SB1，KM1不得電，M1不會亮，原因是KM1與KM2的常閉觸點串聯(lián)，KM2得電，其常閉觸點動作，因此KM1不得電。從仿真電路的操作過程可以看出，該電路實現(xiàn)了控制要求，控制思路驗證是正確的，可以依此控制思路到實驗室接實物電路。

圖6 實例3的仿真電路

4 結 語

從上述3個仿真實例不難看出Mulitisim仿真電動機控制電路的優(yōu)越性。首先它提供了豐富的元器件供仿真使用，且不需要擔心器件損壞；其次操作直觀，按鈕、開關、接觸器觸點動作以及時間繼電器計時等都與實際器件操作非常相像，仿真操作過程如同實際操作過程，有利于熟悉實驗步驟；再則，透過現(xiàn)象看本質，只有在充分理解控制要求、熟悉各器件功能的前提下才能設計出簡單而又能反映設計思路的仿真電路，這本身也是知識的運用與升華；最后，利用Mulitisim的優(yōu)勢，可以設計一些綜合的題目來提高學生的設計能力，開闊學生的設計思路，訓練學生的工程實踐思維。

[1] 付 揚. Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):120-122.

[2] 張明金.應用Multisim9對數字電路的故障診斷[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(10):66-68.

[3] 雷 躍,譚永紅.用Multisim10提升電子技術實驗教學水平[J]. 實驗室研究與探索,2009(4):24-27.

[4] 謝斌盛,鄧文婷.Multisim在電類實驗教學中的應用[J]. 實驗室研究與探索,2009(6):213-214.

[5] 王心剛. 應用multisim提高“模擬電子技術”的教學效果[J]. 電氣電子教學學報, 2012(34):180-182

[6] 李劍清.Multisim在電路實驗教學中的應用[J].浙江工業(yè)大學學報,2007(5):32-33.

[7] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁 偉.虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理,2008(8):184-186.

[8] 劉同娟,馬向國.Multisim在電力電子電路仿真中的應用 [J].電力電子,2006(1):29-31.

[9] 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,等. Multisim在電類課程實驗教學中的應用 [J].計量與測試技術,2009(5):1-3.

[10] 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[11] 殷志堅.電工實驗與 Multisim9仿真技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2010.

[12] 聶 典,丁 偉.Multisim10計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[13] 熊 偉. Multisim7電路設計及仿真應用[M].北京:清華大學出版社,2005.

[14] 莊俊華. Multisim9入門及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[15] 萬 琰,謝海良.基于Multisim10的電機正反轉控制電路的設計與仿真[J].漯河職業(yè)技術學院學報,2009,8(5):45-46.

[16] 王 晗.基于Multisim10的接觸器仿真設計與實現(xiàn) [J]. 實驗技術與管理,2010,27(3):82-84.

Simulation Design and Analysis of Electromotor Control Circuits with Multisim10

HELi

(College of Information and Control Engineering. China University of Petroleum, Qingdao 266580， China)

Multisim is used widely in simulation of electronic circuits, but papers about simulation of electromotor control circuits with Multisim were few. With some design examples the paper presents the application of Multisim simulation in electromotor control circuits. The simulation result has proved that simulation of electromotor control circuits with Multisim can improve students the effect of prep reports, help students understand the working principle and use of low-voltage control electrical devices, understand the design ideas of motor control circuits, be familiar with the experimental processes, improve the effect of experiments.

Multisim 10； simulation； electromotor control circuits

2014-08-11

賀 利(1972-)，女，四川廣安人，講師，研究方向：電氣控制及自動化。E-mail:lilihe2006@sina.com

TP 319

A

1006-7167(2015)05-0079-04