基于Multisim星三角自動(dòng)換接減壓?jiǎn)?dòng)線路的仿真研究*

魏昌洲，黃 凱，張 虎

（1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121；2.江蘇大學(xué)無(wú)錫機(jī)電學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121）

0 引言

在數(shù)控機(jī)床電氣控制柜的設(shè)計(jì)中往往遇到非常多的電氣控制線路[1-2]，尤其是新學(xué)者，在學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的過(guò)程中總拘泥于理論分析，一旦線路比較復(fù)雜，總會(huì)產(chǎn)生疏漏，而且不形象直觀，造成設(shè)計(jì)效率不高。另一方面，三相交流電具有高壓大電流，如果線路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或元器件選型不當(dāng)，對(duì)硬件設(shè)備和人身的安全都有威脅，所以采用專用的仿真軟件驗(yàn)證線路設(shè)計(jì)的有效性，可解決上述問(wèn)題。NI 公司的Multisim軟件具有豐富的元器件庫(kù)和虛擬儀器，能將電氣控制的線路構(gòu)建成仿真模型，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬儀器觀察各種物理量，檢查線路的設(shè)計(jì)是否滿足任務(wù)的要求。

1 軟件介紹

Multisim 是美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）推出的用于電路設(shè)計(jì)和電子教學(xué)的交互式仿真軟件，不僅提供電子電路的虛擬仿真，而且可以實(shí)現(xiàn)LabView 虛擬儀器、單片機(jī)仿真、VHDL 和VerilogHDL建模、Ultiboard設(shè)計(jì)電路板等功能[3-4]。主要功能如下：

（1）提供交互式仿真環(huán)境，用戶通過(guò)仿真結(jié)果理解電路概念，無(wú)須考慮應(yīng)用環(huán)境；

（2）具有22 種與真實(shí)儀器相同功能的虛擬測(cè)量?jī)x器和20 個(gè)功能強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析工具，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析處理；

（3）通過(guò)VHDL語(yǔ)言、Ladder語(yǔ)言可以捕捉并仿真PLD（可編程邏輯設(shè)備）、PLC（可編程邏輯控制器）數(shù)字電路，很容易實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過(guò)渡；

（4）包含2 萬(wàn)多部件庫(kù)，有些部件具有交互式（如開(kāi)關(guān)和電位計(jì)）、動(dòng)畫效果（如LED 和7 段數(shù)碼管）、虛擬參數(shù)設(shè)置和3D效果的部件等。

目前Multisim軟件絕大多數(shù)應(yīng)用在模擬電路和數(shù)字電路中，但在機(jī)床電氣控制中的繼電器線路的仿真相關(guān)研究較少。本文從以Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)?dòng)線路為例，說(shuō)明模型的建立方法和仿真過(guò)程，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的電氣線路正確。

2 Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼＞€路建模

2.1 Y—△換接原理

用于Y—△換接減壓?jiǎn)?dòng)三相異步電機(jī)定子繞組中有6 個(gè)接線端子U1、V1、W1、W2、U2 及V2，如圖1 所示。啟動(dòng)時(shí)，KM 主觸頭和KM1 主觸頭閉合、KM2 主觸頭斷開(kāi)，接線端子W2-U2-V2 互連，定子繞組暫接成Y形，這時(shí)定子繞組相電壓僅為電機(jī)額定電壓的倍，電機(jī)啟動(dòng)。

待電機(jī)轉(zhuǎn)速升到一定值時(shí)，再換接成KM主觸頭和KM2 主觸頭閉合、KM1 主觸頭斷開(kāi)的狀態(tài)，接線端子U1-V2、V1-W2、W1-U2 互連，定子繞組換接成△形，電機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 Y—△換接的定子繞組接線

圖2 所示為星三角自動(dòng)換接減壓?jiǎn)?dòng)控制線路。按下SB2，KM 線圈通電，并通過(guò)KM 常開(kāi)輔助觸頭自鎖，同時(shí)KM1線圈通電、KT線圈也通電。主回路中的KM主觸頭與KM1主觸頭都閉合，定子繞組連接成Y形。

圖2 星三角自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼＞€路

KT線圈延時(shí)到達(dá)后，KT常開(kāi)延時(shí)閉合輔助觸頭閉合，KM2 線圈通電，并通過(guò)KM2 常開(kāi)輔助觸頭形成自鎖。與此同時(shí)，KM1線圈因所在支路中的KT常閉延時(shí)斷開(kāi)觸頭斷開(kāi)而斷電，KM 線圈則保持通電。主回路中KM1 主觸頭斷開(kāi)，KM 主觸頭與KM2 主觸頭閉合，定子繞組自動(dòng)換接成△形。

2.2 交流接觸器子模塊建立

交流接觸器是機(jī)床電氣控制線路中應(yīng)用最廣泛的電氣元件之一，文獻(xiàn)[5-7]采用Electro-Mechanical 庫(kù)中的延時(shí)繼電器TIMED-CONTACTS 構(gòu)建，在電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)線路中短暫延時(shí)影響不大，但在Y—△換接控制時(shí)不能實(shí)時(shí)仿真；文獻(xiàn)[8]采用COILS_RELAYS中的MOTOR_4A構(gòu)建。

本文采用COILS_RELAYS 庫(kù)中的CONTROL_4C構(gòu)建交流接觸器模塊，如圖3所示。為使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔采用子模塊封裝，方法如下。

（1）將CONTROL_4C 元件拖至繪圖區(qū)，在使用的元件引腳上添加HB/SC connector；

（2）選中各元器件，鼠標(biāo)右鍵“Replace by sub?circuit”建立子模塊。

子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示；子模塊封裝如圖4所示。端子KML、KMR 為接觸器線圈端子；NOL、NOR 和NCL、NCR 為接觸器常開(kāi)、常閉端子；NO1L、NO2L、NO3L 和NO1R、NO2R、NO3R 分別為接觸器常開(kāi)主觸點(diǎn)。為便于線路連接，可通過(guò)右擊封裝Edit symbol/title block布置子模塊引腳的位置。

圖3 交流接觸器子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 交流接觸器子模塊封裝圖

2.3 Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼ＤＰ徒?/h3>

根據(jù)Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼＞€路建立Multisim仿真模型，如圖5 所示。主回路中三相交流電源V1（380 V、50 Hz）通過(guò)斷路器QS、交流接觸器KM 主觸點(diǎn)和熱繼電器FR的線圈接到電機(jī)定子繞組L1、L2和L3的U1、V1和W1端，通過(guò)交流接觸器KM1主觸點(diǎn)閉合連接成Y形，交流接觸器KM2 主觸點(diǎn)閉合連接成△形。控制回路直流電壓源V2（220 V）通過(guò)熱繼電器FR 常閉觸點(diǎn)、停止按鈕SB1、啟動(dòng)按鈕SB2，然后分別控制3個(gè)交流接觸器和時(shí)間繼電器KT的線圈。

圖5 Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼＞€路建立Multisim仿真模型

仿真模型采用總線連接，元器件清單如表1所示。

表1 Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼＞€路元器件清單

2.4 Y—△自動(dòng)換接減壓?jiǎn)⑼７抡?/h3>

（1）按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM和KM1工作，電動(dòng)機(jī)以Y形啟動(dòng)，同時(shí)延時(shí)繼電器KT開(kāi)始計(jì)時(shí)；

（2）計(jì)時(shí)到10 ms，延時(shí)繼電器KT 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM和KM2工作，電動(dòng)機(jī)切換至△形工作；

（3）按下停止按鈕SB1，接觸器KM 線圈失電，主回路斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停止工作。

電動(dòng)機(jī)L1 定子繞組的兩端電壓波形如圖6 所示，時(shí)間T1為Y形啟動(dòng)，最高電壓536.754 V，電流表顯示最大電流3.011 A；時(shí)間T2為△換接啟動(dòng)，最高電壓911.321 V，最大電流9.109 A?？芍?，Y形啟動(dòng)電壓為△形接法的0.589 倍，啟動(dòng)電流為0.331倍，實(shí)驗(yàn)證明仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)一致。

圖6 電動(dòng)機(jī)L1繞組兩端電壓波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文嘗試?yán)肕ultisim軟件在機(jī)床電氣控制線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往先繪制電路圖，然后搭建控制硬件電路板調(diào)試，設(shè)計(jì)不當(dāng)或選型錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致電路板重新搭建，增加硬件成本和開(kāi)發(fā)周期。采用Multisim 軟件對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真，自有的虛擬儀器十分方便地觀察控制目標(biāo)的變化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)線路的正確性，降低線路設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。