基于ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ的交流機電傳動系統過渡過程研究

摘 要：作者通過分析三相異步交流電動機固有和人為機械特性，推導出了一個簡單實用的電磁轉矩計算公式，結合SolidWorks軟件的CAE插件COSMOSMotion的動力學仿真功能，建立了交流機電傳動系統的動力學仿真模型。運用此模型可以仿真機電傳動系統各種工況下的過渡過程，并取得各種重要特性曲線，如速度、加速度、電磁轉矩的過渡過程曲線，以便對此系統進行評價和研究。本文所提出的研究方法適用于各種直流、交流機電傳動系統的動力學分析和各種復雜機械系統動力學仿真。

關鍵詞：COSMOSMotin；動力學分析;仿真；三相交流電動機；機電傳動系統；過渡過程；機械特性

中圖分類號：O241.82;TM343 文獻標志碼：A

Transient Process Analysis of AC Electromechanical Driving System

Based on COSMOSMotion

TongZhi-xueGuo Rui-Feng

(Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an Shanxi 710055， China )

Abstract：The author deduced one simple and practical calculation formula for electromagnetic torque by analysis of inherent and artificial mechanical features in three phase AC asynchronous Motor， and established dynamic simulation model on ACElectromechanical driving system through dynamic simulation function ofCOSMOSMotion module in CAE unit of software SolidWorks. This model enable electromechanical driving simulate transient process on various working condition， and obtain large number of important feature curves such as transient process curve of velocity， of acceleration and electromagnetic torque in order to evaluate and research driving system. This method is suitable for dynamic simulation and analysis on lots of DC and AC electromechanical driving system as well as various complicated mechanical system.

Key words:COSMOSMotion， Dynamics analysis， simulation， AC motor， Electromechanical driving， Transient process， Mechanical features

雖然交流電機驅動的機電傳動系統在大多數情況下運行于穩定過程，但其啟動、制動等過渡過程必不可少，甚至有些設備主要運行在這些過渡過程上，如電梯、塔吊等提升機械。所以研究交流機電傳動系統的過渡過程對于設計和評價該系統至關重要。對一個機電傳動系統進行純粹的電力學或機械學研究已無法滿足現代大型、高速復雜機電系統的設計、評價需要。如果將二者結合起來，運用先進的計算機仿真軟件，對系統的過渡過程進行仿真和分析不失為一種最為有效的方法。本文試圖借助于對三相異步交流電動機的機械特性的分析，探討用SolidWorks軟件建立一個機電傳動系統的動力學模型，并利用其CAE插件COSMOSMotion對其進行仿真，以期得到系統的過渡曲線，如速度、加速度、電磁轉矩過渡曲線，為機電傳動系統在各種工況下的過渡過程研究和應用提供有益的幫助。

1 電機機械特性的簡化表達式

三相異步交流電動機的機械特性——轉矩與轉差率的關系，可用下列公式表示：

T=2TmaxSSm+SmS(1)

其中，Tmax、Sm分別為特性曲線的最大轉矩及其對應的臨界轉差率。

將轉差率的定義S=(n0-n)n0代入(1)式，整理得

T=2TmaxSmn0(n0-n)(n0-n)2+n20S2m(2)

若令a=2TmaxSmn0(3)

b=n20S2m（4）

則(2)式簡化為T=a(n0-n)(n0-n)2+b(5)

此式適用于固有和人為機械特性，所不同的僅僅是各種工況下的a、b、n0值不同而已。而這些參數只與電機的結構、型號和電路參數有關，當電機和電路參數確定之后，a、b、n0就為常數。由此可見，機械特性可以用式（5）簡單的表示，即電機的電磁轉矩可以簡單明確地表示成一個僅隨轉子轉速變化的代數式，這就為下面建立系統的動力學模型奠定了基礎。

式（5）的正確性和使用方法可用下例來說明。

例如，欲求1.5kW三相交流異步電動機Y90L－4的固有機械特性的代數式，可先通過查手冊或計算得到a、b、n0的值，代入式（5）即可。圖1中曲線①就是用此法求得的固有機械特性曲線。

對于電源反接，式（5）同樣適用。由于此時旋轉磁場的旋轉方向與原來規定方向相反，（5）式經變換后得到如下形式

T=a(-n0-n)(-n0-n)2+b(6)

由此式繪制的特性曲線如圖1中曲線③所示。

式（5）亦適用于電源正接和反接時在轉子回路中串電阻的情形。圖1中曲線②、④即為兩種情形所對應的曲線。

圖1 異步電機機械特性曲線圖2 仿真設置界面

2 機電傳動系統的動力學模型

為了研究方便，通常將機電傳動系統等效成轉動慣量和負載都集中于電機轉子軸上的單軸系統。本文根據這一方法將交流機電傳動系統等效成一個具有2個零件——等效轉子和旋轉磁場的仿真模型。

其中，等效轉子為電機電磁轉矩和負載轉矩的施加對象，其轉動慣量代表了整個機電傳動系統的全部轉動慣量，其運動規律也就是系統的運動規律。

旋轉磁場是整個仿真模型的原動件，它始終以一個恒定轉速（電機同步轉速n0）轉動。

本文利用SolidWorks軟件的CAE插件COSMOSMotion建立系統的仿真模型，其參數設置界面如圖2所示。其中旋轉副1和旋轉副2分別為等效轉子和旋轉磁場各自繞自身軸旋轉組成的旋轉副；旋轉磁場的旋轉速度為電機的同步轉速，當電源正接時轉速設為正值，反接時設為負值；電磁轉矩是等效轉子的動力來源，故應在等效轉子上添加單作用力矩——電磁轉矩，其值的表達式按式（5）填寫；同時還需添加負載轉矩。至此一個機電傳動系統的仿真模型便建立完畢。

COSMOSMotion軟件是一個仿真功能較強的軟件。在此仿真環境中對上述建立的模型進行仿真，便可以輸出等效轉子的速度、加速度和電磁轉矩的過渡過程曲線。

3 典型過渡過程的仿真應用

在建立系統仿真模型時，必須根據所選電機型號和電機控制方式的切換要求、負載特性等準確地算出有關參數，正確的設置旋轉磁場的轉速與方向、等效轉子的轉動慣量、電磁轉矩的表達式、負載轉矩表達式等。否則，無法得到正確的仿真結果。以下就交流電機驅動的機電傳動系統的幾個典型過渡過程給出仿真應用。

應用1：系統帶載直接啟動的過渡過程仿真

本文以1.5kW三相交流異步電動機Y90L－4為例，由手冊查得下列參數：PN=1.5kW，n0=1500r/min，nN=1400r/min，λm=2.2。

經計算可得電源正接時，

a=1961N.m.rad/s，b=1897 rad2/s2

所以仿真模型中的電磁轉矩表達式設置為1961000*(WZ(35)-WZ(37))/((WZ(35)-WZ(37))**2+1897)。

其中WZ(35)，WZ(37)分別為等效轉子和旋轉磁場的絕對轉速。

假定等效轉子上作用的恒負載TL=10N.m，系統轉動慣量Lz=0.105269kg.m2，設置仿真時間為4s，旋轉磁場轉速n0=1500r/min。

對此模型進行仿真，得到啟動過程中等效轉子的角速度、角加速度和電磁轉矩的過渡曲線如圖3所示。

圖3機電傳動系統啟動過程過渡曲線

應用2：轉子串電阻帶載啟動的過渡過程仿真

轉子串電阻啟動的過渡過程仿真方法同上。所不同的是電磁轉矩表達式按時間分段表示，前段為串電阻時的表達式，后段為切除電阻后的表達式。圖4所示為仿真得到的等效轉子角速度、角加速度和電磁轉矩的過渡曲線。

圖4 轉子串電阻啟動的過渡曲線

對比圖3和圖4很容易看出：串電阻可使系統重載啟動；另外由于加速度一直較大，所以啟動較快。

應用3：電源反接制動的過渡過程仿真

電源反接制動是在系統正常運轉時，突然將電源反接，致使旋轉磁場立刻反轉的過渡過程。對此過程進行仿真，即在仿真模型中將旋轉磁場的轉速表達式按時間分為兩段，前段為正值，后段為負值，得到圖5所示仿真的過渡過程。

圖5 機電傳動系統電源反接制動過程過渡曲線

由圖中可以看出，電源反接后0.63s系統轉速為0。若此時未切斷電源，則電機開始反轉，最后系統達到新的平衡狀態（勻速反轉）。

限于篇幅，以上僅對幾個典型的過渡過程進行了仿真。不過，使用此法完全可以對交流機電傳動系統的全過程進行仿真分析。如果將其它條件也添加到此模型中，那將使仿真結果更接近于真實情況。

4結束語

交流電機驅動的機電傳動系統應用非常廣泛，但由于其過渡過程分析通常需要求解復雜的微積分方程，所以分析極為不便。本文以電機學理論為基礎，以COSMOSMotion軟件為手段，通過對仿真模型的簡單設置（即只要合理的設置轉矩、旋轉磁場轉速、負載、等效轉子轉動慣量、仿真時間），就可以很容易地對系統的過渡過程進行仿真。此法為研究過渡過程提供了一種簡便途徑，而且從上述仿真應用舉例可以看出，其結果真實可信，完全可以用于各種直流、交流機電傳動系統的動力學分析和各種復雜機械系統動力學仿真。

參考文獻

［1］江 洪.SolidWorks動畫演示與運動分析實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2005(8).

［2］馮 曉.劉仲恕編.電機與電器控制［M］.北京:機械工業出版社，2005(8).

［3］張 軍，李憲華.基于COSMOSMotion的凸輪-推桿機構運動仿真［J］.煤礦機械，2006，27(9):103-105.

［4］張晉西.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計［M］.北京:清華大學出版社，2007.1.

［5］侯祥明，張立祥.基于SolidWorks 下cosmosmotion 六自由度焊接機器人三維運動模擬［J］.煤礦機械，2007，28(9):95-97.

［6］張曉勇，張瑩.牛頭刨床的機構運動仿真軟件模型研究［J］.西南科技大學學報，2006，21(3):71-74.

［7］李志春.單片機技術在智能交流接觸器實時調控中的應用研究［J］.船海工程，2007，36(1):82-85.