基于Multisim 的电机正反转控制和缺相运行仿真

严利芳，李世伟，吴泱序

（中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

0 引言

应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电-接触器控制。有一些生产机械，如车床工作台的前进与后退，起重机的提升与下降等，需要两个方向的运动，则拖动该生产机械的电动机就需要有两个旋转方向，即要求电机可以正转和反转［1，8-9，11］。继电-接触器控制电机正反转的硬件实验由于接线复杂，学生在做实验时往往很难将实验与理论结合起来，有些故障性试验如负载短路、过载现象等都难以实现，如果能在原有实物实验的基础上加入仿真，使学生对电机正反转控制过程有了视觉上的认识，且增加电机缺相运行，数据记录与分析方便可行。

1 Multisim14.0 及其机电类器件库简介

在众多的EDA 仿真软件中，Multisim 软件界面友好，功能强大，易学易用，受到电类设计开发人员的青睐。Multisim 用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件［1］。Multisim 的发展经历了多个版本的升级，现在用的是Multisim14.0 版本。Multisim14.0 的机电类元器件库（Electro-Mechanical）含有8 个系列，本次仿真主要用到其中的机械装置（Machine）、线圈继电器（Coils_Relays）、辅助触点（Supplementary_Contacts）、保护装置（Protection_Devices）、定时触点开关（Timed_Contact）等设计电机控制的仿真电路［3］。

2 基于Multisim14 的电机正反转控制电路设计

图1 为三相异步电动机正反转控制的原理图［1］，具有短路保护和过载保护作用，其工作原理大家都很熟悉，这里不再赘述。图2 为笔者在Multisim14中设计的仿真电路，为了读取工作电流添加了电流表［4，10］，没有设置过载保护，除此以外，可以看到仿真电路与原理图高度相似，这样的仿真电路更容易被学生理解和接受。该仿真电路中用到的三相电源、三相开关、三相电动机、熔断器、按钮等器件在很多文献中都可以查到，其中的三相电动机采用鼠笼式感应电动机，其参数参考了工程实际的电机而设置，定子漏电感=10 mH，定子电阻=2.08 Ω，转子漏电感=13.5 mH，转子电阻=1.53 Ω，电源频率50 Hz。关键器件交流接触器的线圈及其可控制的触点在目前可查到的文献中并没有提到，所以这里重点介绍一下。图2 中的交流线圈K1 和K2 是机电库中的线圈和继电器（Coils_Relays）系列中的通电交流线圈（ENERGIZING_COILS_AC），双击点开该线圈，可将其线圈标志的值任意更改。触点也位于线圈和继电器（Coils_Relays）系列，是常开（NO_CONTACT）和常闭（NC_CONTACT）触点，双击点开，将其线圈标志的值设置成与线圈一一对应，就可以实现线圈通电，相应触点动作。如图中的线圈K1，下面的线圈标志为1，可控制图中的主触点K3、4、5 和辅助触点K9、K12 动作，因为它们旁边的线圈标志的值也是1。同理，线圈K2 可控制主触点K6、7、8 和辅助触点K10、K11 动作。

图1 三相异步电动机正反转控制原理图

图2 三相异步电动机正反转控制仿真电路

3 电机正、反转仿真实现过程

仿真电路设计完成，就可以开始仿真了。在仿真时为了观察正转和反转的相序不同，还添加了虚拟泰克示波器［5-7］。仿真开始后，按下空格键，闭合电源开关，按下B 键，正转起动按钮闭合，正转的控制电路接通，线圈K1 得电，主触点K3、4、5 闭合，主电路接通，电动机正转，从示波器上观察到三相电压有效值为220 V，相序为黄-蓝-紫，记录起动电流值在29 A～30 A 之间，该电流在不断减小，稳定后停留在11.3 A～11.4 A 之间，线圈K1 还控制辅助触点K9 闭合，起到自锁作用，K12 断开，起到互锁作用，正转仿真结果如图3 所示。按下A 键，停止按钮断开，电动机停转，电流表读数为0，示波器上电压波形逐渐消失。按下C 键，反转起动按钮闭合，反转的控制电路接通，线圈K2 得电，主触点K6、7、8 闭合，主电路接通，电动机反转，再次记录电流表读数和示波器显示的电压有效值，与正转时的数据相同，而反转后三相电压相序变为黄- 紫- 蓝，可见相序发生了变化，电动机实现反转。同时辅助触点K10 闭合，起到自锁作用，K11 断开，起到互锁作用，反转的仿真结果如下页图4 所示。

图3 电机正转仿真结果

图4 电机反转仿真结果

4 电机缺相运行仿真实现过程

减小任何一相电源上熔断器的电流值，使其小于正常工作电流，减小了第3 相熔断器电流值到10 A，通电后观察到该相熔断器很快熔断，电流表读数几乎为0，电压值减小到107 V，另外两相电流表读数为26.3 A，大于正常工作时电流，电压不变，仿真电路如图5 所示。通过仿真，看到了电动机缺相运行的现象，更容易接受实物的缺相运行危害，即电动机声音异常，电机发热，转速下降，时间长了电机会烧毁，因为此时另外两相的电流大于正常工作时的电流。

图5 电机缺相运行仿真结果

经过测试实验室用PN=180 W、UN=380 V（Y）、IN=0.65 A 的电机在正常工作和断开一相情况下各相电压、电流的值，把仿真时正常工作状态和断开一相情况下记录数据与实物数据对比，如180 页表1 所示，可以看出两者情形一致，验证了仿真结果的正确性。仿真时还能观察到起动电流为30 A，是正常工作电流的2～3 倍，促进学生理解电机起动需要采取降压措施。

表1 电动机硬件实物电压电流与仿真电压电流数据对比

5 结论

线上教学、线上实验成为现代教育的重要组成部分，仿真软件为没有条件开设硬件实物的实验提供了方便。电机控制电路的控制核心为交流接触器的线圈，在Multisim 软件中该线圈不易找到，笔者经过不断地摸索与实践，终于在机电库的COILS-RELAYS 库中发现了ENERGIZING-COIL-AC 与实际的交流线圈有相同功能，只要改变线圈标志值就可得到不同的线圈，将触点的线圈标志值设置成与线圈一致就可被线圈控制。找到了这个线圈，仿真控制电路与理论控制电路高度相似，学生更容易理解与接受，仿真过程形象而具体，且添加了短路故障分析，加深学生对电机缺相运行危害的理解。