基于Multisim星三角自动换接减压启动线路的仿真研究*

魏昌洲，黄 凯，张 虎

（1.无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡 214121；2.江苏大学无锡机电学院，江苏无锡 214121）

0 引言

在数控机床电气控制柜的设计中往往遇到非常多的电气控制线路[1-2]，尤其是新学者，在学习和设计的过程中总拘泥于理论分析，一旦线路比较复杂，总会产生疏漏，而且不形象直观，造成设计效率不高。另一方面，三相交流电具有高压大电流，如果线路设计错误或元器件选型不当，对硬件设备和人身的安全都有威胁，所以采用专用的仿真软件验证线路设计的有效性，可解决上述问题。NI 公司的Multisim软件具有丰富的元器件库和虚拟仪器，能将电气控制的线路构建成仿真模型，并设置相应的参数进行仿真实验，通过虚拟仪器观察各种物理量，检查线路的设计是否满足任务的要求。

1 软件介绍

Multisim 是美国国家仪器（National Instruments，简称NI）推出的用于电路设计和电子教学的交互式仿真软件，不仅提供电子电路的虚拟仿真，而且可以实现LabView 虚拟仪器、单片机仿真、VHDL 和VerilogHDL建模、Ultiboard设计电路板等功能[3-4]。主要功能如下：

（1）提供交互式仿真环境，用户通过仿真结果理解电路概念，无须考虑应用环境；

（2）具有22 种与真实仪器相同功能的虚拟测量仪器和20 个功能强大数据分析工具，便于实验数据的测量与分析处理；

（3）通过VHDL语言、Ladder语言可以捕捉并仿真PLD（可编程逻辑设备）、PLC（可编程逻辑控制器）数字电路，很容易实现理论知识到真实实验的过渡；

（4）包含2 万多部件库，有些部件具有交互式（如开关和电位计）、动画效果（如LED 和7 段数码管）、虚拟参数设置和3D效果的部件等。

目前Multisim软件绝大多数应用在模拟电路和数字电路中，但在机床电气控制中的继电器线路的仿真相关研究较少。本文从以Y—△自动换接减压启动线路为例，说明模型的建立方法和仿真过程，通过仿真实验证明设计的电气线路正确。

2 Y—△自动换接减压启停线路建模

2.1 Y—△换接原理

用于Y—△换接减压启动三相异步电机定子绕组中有6 个接线端子U1、V1、W1、W2、U2 及V2，如图1 所示。启动时，KM 主触头和KM1 主触头闭合、KM2 主触头断开，接线端子W2-U2-V2 互连，定子绕组暂接成Y形，这时定子绕组相电压仅为电机额定电压的倍，电机启动。

待电机转速升到一定值时，再换接成KM主触头和KM2 主触头闭合、KM1 主触头断开的状态，接线端子U1-V2、V1-W2、W1-U2 互连，定子绕组换接成△形，电机在额定电压下正常运转。

图1 Y—△换接的定子绕组接线

图2 所示为星三角自动换接减压启动控制线路。按下SB2，KM 线圈通电，并通过KM 常开辅助触头自锁，同时KM1线圈通电、KT线圈也通电。主回路中的KM主触头与KM1主触头都闭合，定子绕组连接成Y形。

图2 星三角自动换接减压启停线路

KT线圈延时到达后，KT常开延时闭合辅助触头闭合，KM2 线圈通电，并通过KM2 常开辅助触头形成自锁。与此同时，KM1线圈因所在支路中的KT常闭延时断开触头断开而断电，KM 线圈则保持通电。主回路中KM1 主触头断开，KM 主触头与KM2 主触头闭合，定子绕组自动换接成△形。

2.2 交流接触器子模块建立

交流接触器是机床电气控制线路中应用最广泛的电气元件之一，文献[5-7]采用Electro-Mechanical 库中的延时继电器TIMED-CONTACTS 构建，在电动机正反转线路中短暂延时影响不大，但在Y—△换接控制时不能实时仿真；文献[8]采用COILS_RELAYS中的MOTOR_4A构建。

本文采用COILS_RELAYS 库中的CONTROL_4C构建交流接触器模块，如图3所示。为使系统更加简洁采用子模块封装，方法如下。

（1）将CONTROL_4C 元件拖至绘图区，在使用的元件引脚上添加HB/SC connector；

（2）选中各元器件，鼠标右键“Replace by sub⁃circuit”建立子模块。

子模块内部结构如图3 所示；子模块封装如图4所示。端子KML、KMR 为接触器线圈端子；NOL、NOR 和NCL、NCR 为接触器常开、常闭端子；NO1L、NO2L、NO3L 和NO1R、NO2R、NO3R 分别为接触器常开主触点。为便于线路连接，可通过右击封装Edit symbol/title block布置子模块引脚的位置。

图3 交流接触器子模块内部结构图

图4 交流接触器子模块封装图

2.3 Y—△自动换接减压启停模型建立

根据Y—△自动换接减压启停线路建立Multisim仿真模型，如图5 所示。主回路中三相交流电源V1（380 V、50 Hz）通过断路器QS、交流接触器KM 主触点和热继电器FR的线圈接到电机定子绕组L1、L2和L3的U1、V1和W1端，通过交流接触器KM1主触点闭合连接成Y形，交流接触器KM2 主触点闭合连接成△形。控制回路直流电压源V2（220 V）通过热继电器FR 常闭触点、停止按钮SB1、启动按钮SB2，然后分别控制3个交流接触器和时间继电器KT的线圈。

图5 Y—△自动换接减压启停线路建立Multisim仿真模型

仿真模型采用总线连接，元器件清单如表1所示。

表1 Y—△自动换接减压启停线路元器件清单

2.4 Y—△自动换接减压启停仿真

（1）按下启动按钮SB2，接触器KM和KM1工作，电动机以Y形启动，同时延时继电器KT开始计时；

（2）计时到10 ms，延时继电器KT 的常闭触点断开，常开触点闭合，接触器KM和KM2工作，电动机切换至△形工作；

（3）按下停止按钮SB1，接触器KM 线圈失电，主回路断开，电动机停止工作。

电动机L1 定子绕组的两端电压波形如图6 所示，时间T1为Y形启动，最高电压536.754 V，电流表显示最大电流3.011 A；时间T2为△换接启动，最高电压911.321 V，最大电流9.109 A。可知，Y形启动电压为△形接法的0.589 倍，启动电流为0.331倍，实验证明仿真结果与理论设计一致。

图6 电动机L1绕组两端电压波形

3 结束语

本文尝试利用Multisim软件在机床电气控制线路设计中的应用，在传统设计的过程中往往先绘制电路图，然后搭建控制硬件电路板调试，设计不当或选型错误都会导致电路板重新搭建，增加硬件成本和开发周期。采用Multisim 软件对设计模型进行仿真，自有的虚拟仪器十分方便地观察控制目标的变化，验证设计线路的正确性，降低线路设计的风险。