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

三相異步電動機具有工作原理簡單、結(jié)實不易損壞、價格便宜、性價比高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備中。據(jù)統(tǒng)計，75%以上的用電設(shè)備是由三相異步電動機來帶動的，因此要合理設(shè)計三相電動機電路，從而保證生產(chǎn)設(shè)備按要求工作。

三相電動機控制電路是高?！半姽W(xué)”的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是學(xué)生考取中高級電工證的重要考查內(nèi)容，通過本部分內(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行原理，還要求學(xué)生掌握這些電路的設(shè)計原則和設(shè)計思想，并能夠根據(jù)不同的控制要求設(shè)計合理電路，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機實驗設(shè)備，學(xué)生通過接線操作，基本上可以達到了解電動機基本控制電路的要求，但是在設(shè)計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機，而這些電器的接線都比較復(fù)雜，在設(shè)計過程中如果出現(xiàn)故障，不容易排查；二是三相異步電動機使用的是電壓較高的三相交流電，一個電路設(shè)計完成后，如果在可行性不確定的情況下通電運行，會存在一定的風(fēng)險。

隨著計算機技術(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設(shè)計三相電動機的各種控制電路。借助仿真軟件，可以先在電腦上設(shè)計電路，確保設(shè)計的電路可行之后，再進行實際的接線操作，這樣可以提高設(shè)計的效率和靈活性。

1 CADe SIMU 簡介

目前對三相異步電動機的仿真分析，有的文獻使用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)用于電動機控制電路的仿真，因為Multisim在電氣控制方面能提供的電器種類有限。例如，它沒有符合規(guī)格的保險絲，不提供現(xiàn)成的交流接觸器等，對于交流接觸器的處理，通常實驗者會提前將來自不同元件庫的線圈和觸點封裝在一個子電路中，利用觸點實現(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 是一款輕量級的電氣制圖軟件，無需安裝，可直接下載使用。它提供了各種豐富的電氣符號，供用戶直接調(diào)用，可以幫助用戶繪制標(biāo)準(zhǔn)的電氣控制電路圖并支持仿真。本文以兩臺三相異步電動機運行控制系統(tǒng)為例，說明CADe SIMU 在電動機控制中的應(yīng)用。

2 三相異步電動機仿真分析

2.1 控制要求

三相異步電動機仿真的控制要求為：有一臺設(shè)備由兩臺電動機M1 和M2 帶動，電動機M1 可以點動控制，也可以正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行控制，電動機M2 要求在M1 正轉(zhuǎn)3 秒后才能啟動，M2 運行4秒后，M1 進入能耗制動，能耗制動持續(xù)3 秒后M1停止，M2 必須在M1 停止后按停止按鈕才能停。該題目集合了點動、啟保停、順序、能耗制動多種控制電路，通常在課堂上各個電路是分開來介紹的，每一個獨立電路的設(shè)計都不難，但像這樣多種電路集中在兩臺電動機上還比較少見。因控制要求較多，涉及的電器也較多，建議學(xué)生在動手接線之前先進行仿真設(shè)計。

2.2 主電路設(shè)計

本例電路的設(shè)計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)計如圖1 所示。

圖1 主電路設(shè)計圖

三相交流電源380V 和直流電源220V 取自CADe SIMU 電源工具欄，三相空氣開關(guān)QF 接在三相電上，通過KM1 觸點的接通，三相電以U-VW 正序加在電動機M1 上，KM1 控制M1 正轉(zhuǎn)，KM2 三個閉合的主觸頭將三相電中的U 相和W相對調(diào)，三相電以W-V-U 的方式，逆序加在電動機M1 上，KM2 控制M1 反轉(zhuǎn)。KM4 用來接通直流電220V，在M1 內(nèi)產(chǎn)生反向磁矩，使M1 能耗制動。KM3 用來控制電動機M2。不同于Multisim，所有的接觸器都可以從CADe SIMU 的工具欄里找到，無需自己制作封裝，操作簡單方便。此外，熱繼電器FR1 和FR2 用來對M1 和M2 做過載保護，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

具體的控制要求通過控制電路的設(shè)計來實現(xiàn)，圖2 為三相異步電動機的控制電路設(shè)計圖。控制電路的供電是交流380V，接在兩根火線上，具體電路設(shè)計說明如下：

控制電路從左到右依次分為M1 正轉(zhuǎn)運行、M1 反轉(zhuǎn)運行、M2 運行、M1 制動四個模塊。首先是一個實現(xiàn)M1 正轉(zhuǎn)連續(xù)運行的啟保停電路，閉合SB2，KM1 得電自保持，電動機M1 連續(xù)正轉(zhuǎn)。此外，M1 還能進行點動控制，點動意味著要解除接觸器自鎖。SB5 是正轉(zhuǎn)點動開關(guān)，這里采用復(fù)合開關(guān)，因兩種啟動方式是或的邏輯關(guān)系，將SB5 的常開觸點和SB2 并聯(lián)；要在按下SB5 時，解除電路自鎖，把SB5 的常閉觸點和KM1 自鎖觸頭串聯(lián)，這樣連接保證在電動機M1 啟動的同時自鎖支路斷開，實現(xiàn)點動控制。

圖2 控制電路設(shè)計圖

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

電動機M1 和M2 先后啟動，屬于自動順序控制關(guān)系。在自動順序控制中，時間是電動機啟動的關(guān)鍵控制點，利用常開觸點KT1 的延時閉合，可以延時啟動M2，因此將常開觸點KT1 接在電動機M2 運行電路中，作為啟動的開關(guān)。KM3 觸點自鎖，保障電動機M2 啟動并連續(xù)運行。電動機M1 的能耗制動是在M2 運行4 秒后，所以將時間繼電器KT2（設(shè)定時間為4 秒）的線圈和KM3 線圈并聯(lián)，KM3 線圈得電的同時啟動時間繼電器KT2。SB7是電動機M2 的停止開關(guān)。

能耗制動是防止電動機在切斷三相交流電后由于慣性作用繼續(xù)運行，通過加入直流電產(chǎn)生反向磁矩的做法使得電動機迅速停止。因此，在KM4得電前KM1 要斷電，KT2 的常閉觸點打開也是M1 斷電的條件，它和停止按鈕SB1 串聯(lián)在一起。當(dāng)KT2 計時一到，KT2 常閉觸點會斷開，KM1 斷電，M1 脫離三相電源。接下來要引入直流電，也就是閉合KM4，將KT2 常開觸點作為KM4 線圈得電的條件，時間到，KT2 閉合，開始能耗制動，制動的時間通過時間繼電器KT3 來計算。另外，串接在KM4 線圈前面的KT3 常閉觸點，可以控制能耗制動過程自動結(jié)束。

電動機M2 在M1 完全停止后按停止按鈕才能停止運轉(zhuǎn)，因此，將M2 的停止開關(guān)和KT3 的延時斷開常閉觸點并聯(lián)連接。

2.4 仿真結(jié)果分析

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

（1）按下啟動按鈕SB2，電動機M1 點亮，圖中順時針箭頭表示正轉(zhuǎn)連續(xù)運行，同時KT1 線圈開始倒計時，如圖3 所示。松開SB2，M1 連續(xù)運行，當(dāng)?shù)褂嫊r為0 時，電動機M2 啟動并連續(xù)運行，同時啟動時間繼電器KT2，此時M2 電動機點亮，兩臺電動機一起運轉(zhuǎn)，如圖4 所示。KT2 線圈隨M2的啟動也開始工作，當(dāng)KT2 倒計時結(jié)束，電動機M1 進入能耗制動，如圖5 所示。制動過程結(jié)束，M1 停轉(zhuǎn)，M2 還在運行，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 同時轉(zhuǎn)動

圖5 M1 能耗制動

圖6 M1 能耗制動結(jié)束

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

圖7 M1 反轉(zhuǎn)

（3）按下復(fù)合開關(guān)SB5，實現(xiàn)M1 點動正轉(zhuǎn)，按下復(fù)合開關(guān)SB6，實現(xiàn)M1 點動反轉(zhuǎn)。M1 點亮狀態(tài)類似圖3 和圖7。

（4）模擬電動機過載保護。雙擊串接M1、M2 的熱元件FR1 和FR2，F(xiàn)R1 和FR2 顏色加深，表示電機過載，這時控制電路中的常閉觸點FR1 和FR2打開，F(xiàn)R1 和FR2 是串接在M1 和M2 控制電路中的，所以能使電動機斷電。過載保護如圖8 所示。

經(jīng)過仿真測試，設(shè)計的電路符合控制要求，對實際電機控制系統(tǒng)的接線有一定的參考作用。

圖8 過載保護

3 結(jié)語

本文借助CADe SIMU 仿真軟件，模擬了兩臺三相異步電動機運行，仿真的結(jié)果符合控制要求。從這個實例不難看出CADe SIMU 仿真軟件在電機控制系統(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，元器件的符號和國家標(biāo)準(zhǔn)電氣圖用圖符號一致，可以繪制標(biāo)準(zhǔn)的電氣控制電路圖。其次，支持仿真。平時學(xué)生對各種電器接觸較少，不熟悉電路的連線及運行過程，這些電路對學(xué)生來說即復(fù)雜又抽象，而CADe SIMU 軟件中的開關(guān)、接觸器、繼電器等電器的工作原理和實物相同，操作相似，仿真結(jié)果也非常直觀，方便學(xué)生理解整個電路的運行。任何電路的設(shè)計都會有一定的風(fēng)險和故障，在動手接線之前進行模擬仿真是非常有必要的，CADe SIMU 的仿真結(jié)果對實際電動機電路的設(shè)計有一定的參考價值。