基于CADe SIMU 的三相異步電動(dòng)機(jī)仿真分析

潘春玲

（泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息系，福建 泉州362000）

0 引言

三相異步電動(dòng)機(jī)具有工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)不易損壞、價(jià)格便宜、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%以上的用電設(shè)備是由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)的，因此要合理設(shè)計(jì)三相電動(dòng)機(jī)電路，從而保證生產(chǎn)設(shè)備按要求工作。

三相電動(dòng)機(jī)控制電路是高校“電工學(xué)”的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是學(xué)生考取中高級(jí)電工證的重要考查內(nèi)容，通過(guò)本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，不僅要求學(xué)生能夠熟練使用控制電器搭接基本控制電路，掌握電路的組成和運(yùn)行原理，還要求學(xué)生掌握這些電路的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，并能夠根據(jù)不同的控制要求設(shè)計(jì)合理電路，為后續(xù)學(xué)習(xí)PLC 打下基礎(chǔ)。目前，許多高校都配備有完整的電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生通過(guò)接線操作，基本上可以達(dá)到了解電動(dòng)機(jī)基本控制電路的要求，但是在設(shè)計(jì)電路部分還存在一些困難。一是目前多使用接觸器、繼電器等電器控制電動(dòng)機(jī)，而這些電器的接線都比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，不容易排查；二是三相異步電動(dòng)機(jī)使用的是電壓較高的三相交流電，一個(gè)電路設(shè)計(jì)完成后，如果在可行性不確定的情況下通電運(yùn)行，會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種仿真技術(shù)不斷出現(xiàn)和完善，能夠很好地幫助我們?cè)O(shè)計(jì)三相電動(dòng)機(jī)的各種控制電路。借助仿真軟件，可以先在電腦上設(shè)計(jì)電路，確保設(shè)計(jì)的電路可行之后，再進(jìn)行實(shí)際的接線操作，這樣可以提高設(shè)計(jì)的效率和靈活性。

1 CADe SIMU 簡(jiǎn)介

目前對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的仿真分析，有的文獻(xiàn)使用Multisim。Multisim 雖然能很好地模擬數(shù)模電路、射頻電路，并能提供完備的分析手段，但卻很少應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制電路的仿真，因?yàn)镸ultisim在電氣控制方面能提供的電器種類(lèi)有限。例如，它沒(méi)有符合規(guī)格的保險(xiǎn)絲，不提供現(xiàn)成的交流接觸器等，對(duì)于交流接觸器的處理，通常實(shí)驗(yàn)者會(huì)提前將來(lái)自不同元件庫(kù)的線圈和觸點(diǎn)封裝在一個(gè)子電路中，利用觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的“自鎖”和“互鎖”功能也一起封裝在子電路里，用該子電路來(lái)代替交流接觸器，因此繪制的電路圖不夠直觀，靈活性也較差。

CADe SIMU 是一款輕量級(jí)的電氣制圖軟件，無(wú)需安裝，可直接下載使用。它提供了各種豐富的電氣符號(hào)，供用戶(hù)直接調(diào)用，可以幫助用戶(hù)繪制標(biāo)準(zhǔn)的電氣控制電路圖并支持仿真。本文以?xún)膳_(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明CADe SIMU 在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真分析

2.1 控制要求

三相異步電動(dòng)機(jī)仿真的控制要求為：有一臺(tái)設(shè)備由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)M1 和M2 帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)M1 可以點(diǎn)動(dòng)控制，也可以正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行控制，電動(dòng)機(jī)M2 要求在M1 正轉(zhuǎn)3 秒后才能啟動(dòng)，M2 運(yùn)行4秒后，M1 進(jìn)入能耗制動(dòng)，能耗制動(dòng)持續(xù)3 秒后M1停止，M2 必須在M1 停止后按停止按鈕才能停。該題目集合了點(diǎn)動(dòng)、啟保停、順序、能耗制動(dòng)多種控制電路，通常在課堂上各個(gè)電路是分開(kāi)來(lái)介紹的，每一個(gè)獨(dú)立電路的設(shè)計(jì)都不難，但像這樣多種電路集中在兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)上還比較少見(jiàn)。因控制要求較多，涉及的電器也較多，建議學(xué)生在動(dòng)手接線之前先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

2.2 主電路設(shè)計(jì)

本例電路的設(shè)計(jì)包括主電路和控制電路兩部分，下面先介紹主電路。主電路的設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 主電路設(shè)計(jì)圖

三相交流電源380V 和直流電源220V 取自CADe SIMU 電源工具欄，三相空氣開(kāi)關(guān)QF 接在三相電上，通過(guò)KM1 觸點(diǎn)的接通，三相電以U-VW 正序加在電動(dòng)機(jī)M1 上，KM1 控制M1 正轉(zhuǎn)，KM2 三個(gè)閉合的主觸頭將三相電中的U 相和W相對(duì)調(diào)，三相電以W-V-U 的方式，逆序加在電動(dòng)機(jī)M1 上，KM2 控制M1 反轉(zhuǎn)。KM4 用來(lái)接通直流電220V，在M1 內(nèi)產(chǎn)生反向磁矩，使M1 能耗制動(dòng)。KM3 用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)M2。不同于Multisim，所有的接觸器都可以從CADe SIMU 的工具欄里找到，無(wú)需自己制作封裝，操作簡(jiǎn)單方便。此外，熱繼電器FR1 和FR2 用來(lái)對(duì)M1 和M2 做過(guò)載保護(hù)，將它們的熱元件分別與M1、M2 串聯(lián)連接。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

具體的控制要求通過(guò)控制電路的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2 為三相異步電動(dòng)機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)圖?？刂齐娐返墓╇娛墙涣?80V，接在兩根火線上，具體電路設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

控制電路從左到右依次分為M1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行、M1 反轉(zhuǎn)運(yùn)行、M2 運(yùn)行、M1 制動(dòng)四個(gè)模塊。首先是一個(gè)實(shí)現(xiàn)M1 正轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行的啟保停電路，閉合SB2，KM1 得電自保持，電動(dòng)機(jī)M1 連續(xù)正轉(zhuǎn)。此外，M1 還能進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，點(diǎn)動(dòng)意味著要解除接觸器自鎖。SB5 是正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，這里采用復(fù)合開(kāi)關(guān)，因兩種啟動(dòng)方式是或的邏輯關(guān)系，將SB5 的常開(kāi)觸點(diǎn)和SB2 并聯(lián)；要在按下SB5 時(shí)，解除電路自鎖，把SB5 的常閉觸點(diǎn)和KM1 自鎖觸頭串聯(lián)，這樣連接保證在電動(dòng)機(jī)M1 啟動(dòng)的同時(shí)自鎖支路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。

圖2 控制電路設(shè)計(jì)圖

由于電動(dòng)機(jī)M2 要求在M1 正轉(zhuǎn)3 秒后才能啟動(dòng)，因此將時(shí)間繼電器KT1 的線圈和KM1 線圈并聯(lián)連接，讓兩個(gè)線圈同時(shí)得電，在M1 正轉(zhuǎn)啟動(dòng)的同時(shí)，啟動(dòng)KT1，KT1 設(shè)定時(shí)間為3 秒。按下停止按鈕SB1，電動(dòng)機(jī)M1 停止的同時(shí)KT1 復(fù)位。SB4 控制電動(dòng)機(jī)M1 連續(xù)反轉(zhuǎn)，SB6 控制電動(dòng)機(jī)M1 點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)，同樣使用復(fù)合開(kāi)關(guān)，SB1 也是反轉(zhuǎn)的停止按鈕，電動(dòng)機(jī)M1 反轉(zhuǎn)的電路連接和正轉(zhuǎn)類(lèi)似，這里不再詳述。另外，KM1 和KM2 構(gòu)成互鎖控制。

電動(dòng)機(jī)M1 和M2 先后啟動(dòng)，屬于自動(dòng)順序控制關(guān)系。在自動(dòng)順序控制中，時(shí)間是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，利用常開(kāi)觸點(diǎn)KT1 的延時(shí)閉合，可以延時(shí)啟動(dòng)M2，因此將常開(kāi)觸點(diǎn)KT1 接在電動(dòng)機(jī)M2 運(yùn)行電路中，作為啟動(dòng)的開(kāi)關(guān)。KM3 觸點(diǎn)自鎖，保障電動(dòng)機(jī)M2 啟動(dòng)并連續(xù)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)M1 的能耗制動(dòng)是在M2 運(yùn)行4 秒后，所以將時(shí)間繼電器KT2（設(shè)定時(shí)間為4 秒）的線圈和KM3 線圈并聯(lián)，KM3 線圈得電的同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間繼電器KT2。SB7是電動(dòng)機(jī)M2 的停止開(kāi)關(guān)。

能耗制動(dòng)是防止電動(dòng)機(jī)在切斷三相交流電后由于慣性作用繼續(xù)運(yùn)行，通過(guò)加入直流電產(chǎn)生反向磁矩的做法使得電動(dòng)機(jī)迅速停止。因此，在KM4得電前KM1 要斷電，KT2 的常閉觸點(diǎn)打開(kāi)也是M1 斷電的條件，它和停止按鈕SB1 串聯(lián)在一起。當(dāng)KT2 計(jì)時(shí)一到，KT2 常閉觸點(diǎn)會(huì)斷開(kāi)，KM1 斷電，M1 脫離三相電源。接下來(lái)要引入直流電，也就是閉合KM4，將KT2 常開(kāi)觸點(diǎn)作為KM4 線圈得電的條件，時(shí)間到，KT2 閉合，開(kāi)始能耗制動(dòng)，制動(dòng)的時(shí)間通過(guò)時(shí)間繼電器KT3 來(lái)計(jì)算。另外，串接在KM4 線圈前面的KT3 常閉觸點(diǎn)，可以控制能耗制動(dòng)過(guò)程自動(dòng)結(jié)束。

電動(dòng)機(jī)M2 在M1 完全停止后按停止按鈕才能停止運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，將M2 的停止開(kāi)關(guān)和KT3 的延時(shí)斷開(kāi)常閉觸點(diǎn)并聯(lián)連接。

2.4 仿真結(jié)果分析

按下仿真開(kāi)關(guān)，電路進(jìn)入仿真狀態(tài)，閉合空氣開(kāi)關(guān)QF，接通電路電源，此時(shí)電源線顏色加深，表示有電流流過(guò)。仿真步驟如下所述。

（1）按下啟動(dòng)按鈕SB2，電動(dòng)機(jī)M1 點(diǎn)亮，圖中順時(shí)針箭頭表示正轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)KT1 線圈開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，如圖3 所示。松開(kāi)SB2，M1 連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2 啟動(dòng)并連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間繼電器KT2，此時(shí)M2 電動(dòng)機(jī)點(diǎn)亮，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)一起運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖4 所示。KT2 線圈隨M2的啟動(dòng)也開(kāi)始工作，當(dāng)KT2 倒計(jì)時(shí)結(jié)束，電動(dòng)機(jī)M1 進(jìn)入能耗制動(dòng)，如圖5 所示。制動(dòng)過(guò)程結(jié)束，M1 停轉(zhuǎn)，M2 還在運(yùn)行，如圖6 所示。M1 停轉(zhuǎn)后，按下M2 的停止按鈕SB7，M2 停轉(zhuǎn)。

圖3 M1 正轉(zhuǎn)

圖4 M1 和M2 同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)

圖5 M1 能耗制動(dòng)

圖6 M1 能耗制動(dòng)結(jié)束

（2）按下SB4 可以啟動(dòng)M1 反轉(zhuǎn)，并且自保持，如圖7 所示。圖中箭頭方向由原來(lái)的順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針。M1 的停止用按鈕SB1 控制。M1 正轉(zhuǎn)時(shí)，KM2 不得電，常閉觸點(diǎn)KM2 打開(kāi)，M1 反轉(zhuǎn)時(shí)，KM1 不得電，常閉觸點(diǎn)KM1 打開(kāi)，KM1 和KM2 相互制約。

圖7 M1 反轉(zhuǎn)

（3）按下復(fù)合開(kāi)關(guān)SB5，實(shí)現(xiàn)M1 點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)，按下復(fù)合開(kāi)關(guān)SB6，實(shí)現(xiàn)M1 點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)。M1 點(diǎn)亮狀態(tài)類(lèi)似圖3 和圖7。

（4）模擬電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)。雙擊串接M1、M2 的熱元件FR1 和FR2，F(xiàn)R1 和FR2 顏色加深，表示電機(jī)過(guò)載，這時(shí)控制電路中的常閉觸點(diǎn)FR1 和FR2打開(kāi)，F(xiàn)R1 和FR2 是串接在M1 和M2 控制電路中的，所以能使電動(dòng)機(jī)斷電。過(guò)載保護(hù)如圖8 所示。

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，設(shè)計(jì)的電路符合控制要求，對(duì)實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的接線有一定的參考作用。

圖8 過(guò)載保護(hù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文借助CADe SIMU 仿真軟件，模擬了兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，仿真的結(jié)果符合控制要求。從這個(gè)實(shí)例不難看出CADe SIMU 仿真軟件在電機(jī)控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)中的優(yōu)越性。首先，該仿真軟件提供了豐富的元器件庫(kù)，元器件的符號(hào)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電氣圖用圖符號(hào)一致，可以繪制標(biāo)準(zhǔn)的電氣控制電路圖。其次，支持仿真。平時(shí)學(xué)生對(duì)各種電器接觸較少，不熟悉電路的連線及運(yùn)行過(guò)程，這些電路對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)即復(fù)雜又抽象，而CADe SIMU 軟件中的開(kāi)關(guān)、接觸器、繼電器等電器的工作原理和實(shí)物相同，操作相似，仿真結(jié)果也非常直觀，方便學(xué)生理解整個(gè)電路的運(yùn)行。任何電路的設(shè)計(jì)都會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)和故障，在動(dòng)手接線之前進(jìn)行模擬仿真是非常有必要的，CADe SIMU 的仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際電動(dòng)機(jī)電路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。