基于Multisim10的電動(dòng)機(jī)控制電路仿真設(shè)計(jì)與分析

賀 利

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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基于Multisim10的電動(dòng)機(jī)控制電路仿真設(shè)計(jì)與分析

賀 利

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

Multisim在電子電路的仿真中應(yīng)用很廣泛，但對(duì)電動(dòng)機(jī)控制電路的仿真相關(guān)的文獻(xiàn)卻很少。文章通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例給出了Multisim在電動(dòng)機(jī)控制電路中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，用multisim來(lái)仿真電動(dòng)機(jī)控制電路，可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)的效果，幫助學(xué)生了解常用低壓控制電器的工作原理和使用方法，掌握電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)思路，熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效果。

Multisim10； 仿真； 電動(dòng)機(jī)控制電路

0 引 言

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。包含了數(shù)千種虛擬電路元器件以及二十多種虛擬儀器、儀表，軟件界面形象直觀、操作方便、易學(xué)易用、學(xué)生可以在較短的時(shí)間里掌握，使得Multisim廣泛應(yīng)用于電工電子電路相關(guān)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。實(shí)踐證明，Multisim在提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力等方面起了很大的作用[1-9]。然而在眾多的Multisim仿真書籍[10-14]和文獻(xiàn)中，有關(guān)電動(dòng)機(jī)控制電路的仿真涉及很少，僅在文獻(xiàn)[15-16]中仿真了電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)電路。電動(dòng)機(jī)控制是“電工電子學(xué)”的重要章節(jié)，學(xué)生通過(guò)此章的學(xué)習(xí)，不僅要掌握電動(dòng)機(jī)的基本控制電路，更要掌握控制電路的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)PLC控制打下基礎(chǔ)。如何使學(xué)生更好地掌握控制電路的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)思路，僅靠?jī)扇齻€(gè)實(shí)驗(yàn)是很難實(shí)現(xiàn)的。由于學(xué)時(shí)有限，實(shí)驗(yàn)資金、場(chǎng)地有限，不可能增加更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的訓(xùn)練。用Multisim10仿真電動(dòng)機(jī)控制電路，利用其提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練，再與實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相配合，達(dá)到相輔相成、事半功倍的目的。

1 Multisim10機(jī)電類元件庫(kù)簡(jiǎn)介

電動(dòng)機(jī)控制電路所用的主要控制電器位于multisim10機(jī)電類元件庫(kù)“Electro_Mechanical”的元件箱中。各種按鈕、閘刀開(kāi)關(guān)在sensing_switches、momentary_ switches、supplementary_contacts等元件箱中，仿真器件同實(shí)際器件操作動(dòng)作一致。接觸器、時(shí)間繼電器、熱繼電器在coil_relays、timed_contacts元件箱中，線圈所用電源均為直流電，與實(shí)驗(yàn)室所用電源不同，但其工作原理和實(shí)驗(yàn)室所用的接觸器一樣，線圈得電，各觸點(diǎn)動(dòng)作，線圈失電，各觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，因此可以用來(lái)仿真實(shí)際接觸器。圖1中的仿真電路驗(yàn)證接觸器功能和使用電源的情況。三相電動(dòng)機(jī)在output_devices元件箱中。Multisim10提供的仿真電器的類型比實(shí)驗(yàn)室提供的多得多，且使用起來(lái)無(wú)數(shù)量限制，無(wú)損害賠償?shù)膿?dān)憂，無(wú)觸電傷及身體的危險(xiǎn)，這些也是使用仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 接觸器功能與所用電源驗(yàn)證

2 Multisim10設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路的原則

由于學(xué)生成長(zhǎng)經(jīng)歷所限，對(duì)接觸器、時(shí)間繼電器等控制電器感性認(rèn)識(shí)很少，上課時(shí)通常采用圖片、動(dòng)畫等手段向?qū)W生講授電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制電路的組成、工作過(guò)程等。在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過(guò)接線、操作控制電路，進(jìn)一步熟悉控制電器的功能，了解控制電路的操作過(guò)程。為了更好地利用實(shí)驗(yàn)時(shí)間，達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，傳統(tǒng)做法是要求學(xué)生寫預(yù)習(xí)報(bào)告來(lái)熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。縱觀多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，預(yù)習(xí)報(bào)告基本上沒(méi)有達(dá)到熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程的目的，這不能完全責(zé)怪學(xué)生沒(méi)有認(rèn)真預(yù)習(xí)，僅在紙上畫出控制電路，其正確與否學(xué)生很難判斷。對(duì)于預(yù)習(xí)，學(xué)生有紙上談兵的感覺(jué)。現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)的普及，可以保證每個(gè)學(xué)生有電腦可用。Multisim本身具有操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易用的優(yōu)點(diǎn)。因此，在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，可以充分發(fā)揮Multisim強(qiáng)大的仿真能力，讓預(yù)習(xí)不再是紙上談兵的事。用Multisim10設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路時(shí)，我們強(qiáng)調(diào)的是控制功能的實(shí)現(xiàn)與控制結(jié)果的展現(xiàn)。控制功能的實(shí)現(xiàn)檢查了設(shè)計(jì)思路是否正確，控制結(jié)果的展現(xiàn)便于仿真者觀察、思考。因此，用Multisim10設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路時(shí)，根據(jù)控制要求，將三相負(fù)載改成單相負(fù)載，用燈泡代替電動(dòng)機(jī)，達(dá)到簡(jiǎn)化仿真電路的目的。簡(jiǎn)而言之一句話，Multisim10設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路的原則是器件不變、負(fù)載簡(jiǎn)化、仿真思路、驗(yàn)證功能。

3 Multisim10仿真電動(dòng)機(jī)控制電路的實(shí)例

3.1 實(shí)例1 三相異步電動(dòng)機(jī)正-停-反控制電路

圖2是根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的仿真電路，圖3是簡(jiǎn)化的仿真電路。兩個(gè)仿真電路的操作過(guò)程如下：按下SBF(即按下鍵C)，KMF得電，圖2電流表的讀數(shù)分別為108.649、108.645和104.927 A，表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，圖3正轉(zhuǎn)燈亮表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)期間，按下SBR，KMR不得電，電動(dòng)機(jī)不能反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)燈不亮。按下SB1(即按下鍵A)，KMF斷電，圖2電流表的讀數(shù)幾乎為0，表示電動(dòng)機(jī)停車，圖3正轉(zhuǎn)燈滅表示電動(dòng)機(jī)停車。再按下SBR(即按下鍵C)，KMR得電，圖2電流表的讀數(shù)分別為108.649、108.645和104.927 A，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，圖3反轉(zhuǎn)燈亮表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。從兩個(gè)仿真電路的操作過(guò)程可以看出圖2、圖3都可驗(yàn)證互鎖的功能，仿真了電動(dòng)機(jī)正-停-反控制的控制思路，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)正-停-反控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)有指導(dǎo)作用。相比較，圖3接線簡(jiǎn)單，費(fèi)時(shí)少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，學(xué)生做起來(lái)更容易些。

圖2 電動(dòng)機(jī)正-停-反控制電路的仿真電路

3.2 實(shí)例2 順序控制

根據(jù)要求，繪出控制電路(M1和M2都是三相異步電動(dòng)機(jī))。M1啟動(dòng)后，M2才能啟動(dòng)，M2并能點(diǎn)動(dòng)。

學(xué)生預(yù)習(xí)的控制電路很多設(shè)計(jì)的如圖4所示。其中的錯(cuò)誤有二：①不能保證在任何操作過(guò)程中都有M1啟動(dòng)后M2才能啟動(dòng)。比如，先按下SB4，M1沒(méi)有啟動(dòng)，M2可點(diǎn)動(dòng)；②在保證了M1啟動(dòng)后M2才能啟動(dòng)的順序要求，M2不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)。出現(xiàn)這些錯(cuò)誤反映了學(xué)生對(duì)整個(gè)控制電路的動(dòng)作過(guò)程不熟悉，設(shè)計(jì)時(shí)只是按順序考慮，而忘了考慮整體。對(duì)于剛學(xué)習(xí)接觸繼電器控制電路的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在頭腦中抽象地運(yùn)行控制電路來(lái)檢查設(shè)計(jì)是否正確，遠(yuǎn)不如對(duì)著仿真電路動(dòng)手操作來(lái)得更具體更有趣些。此控制電路的multisim10簡(jiǎn)化仿真電路如圖5所示。根據(jù)圖4設(shè)計(jì)的仿真電路需將圖5中橢圓標(biāo)記部分用導(dǎo)線連接。當(dāng)按下SB2，M1亮，再按下點(diǎn)動(dòng)按鈕SB4時(shí)，M2亮，當(dāng)松開(kāi)按鈕SB4時(shí)，M2依舊亮，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)，觀察電路，很容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在KM2自鎖觸點(diǎn)支路。錯(cuò)誤在預(yù)習(xí)時(shí)就可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而找到解決方案，在KM2自鎖支路串一個(gè)開(kāi)關(guān)(橢圓標(biāo)記部分)，到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)時(shí)就不會(huì)犯同樣錯(cuò)誤。對(duì)于圖5仿真電路，先按下SB4，M2并不亮，其原因在于，在連接仿真電路時(shí)，將圖4中SB4的觸點(diǎn)a接到b的位置，這就從電路結(jié)構(gòu)上保證了M1啟動(dòng)后M2才能啟動(dòng)的順序要求，更正了圖4的另一個(gè)錯(cuò)誤。

圖3 電動(dòng)機(jī)正-停-反控制電路的簡(jiǎn)化仿真電路

圖4 實(shí)例2錯(cuò)誤的控制電路

圖5 實(shí)例2的仿真電路

3.3 實(shí)例3 時(shí)間控制

根據(jù)要求，繪出控制電路(M1和M2都是三相異步電動(dòng)機(jī))。M1先啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后M2能自行啟動(dòng)，M2啟動(dòng)后M1立即停車。

該控制電路有多種實(shí)現(xiàn)方案，比如時(shí)間繼電器的線圈在M2啟動(dòng)后依舊得電，也可以在M2啟動(dòng)后斷電，即和KM1同時(shí)斷電。本方案選取時(shí)間繼電器的線圈在M2啟動(dòng)后斷電。仿真電路如圖6所示。操作過(guò)程如下。按下SB1，KM1得電，M1亮(表示電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng))，自鎖觸點(diǎn)閉合，同時(shí)時(shí)間繼電器KT得電，計(jì)時(shí)開(kāi)始。計(jì)時(shí)時(shí)間到(20 ms)，時(shí)間繼電器KT的通電延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合，KM2得電，M2亮(表示電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng))，同時(shí)KM2的常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，使得KM1、KT斷電，M1滅(表示電動(dòng)機(jī)M1停車)。按下SB2，M2滅(表示電動(dòng)機(jī)M2停車)。在M2亮期間，按下SB1，KM1不得電，M1不會(huì)亮，原因是KM1與KM2的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，KM2得電，其常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，因此KM1不得電。從仿真電路的操作過(guò)程可以看出，該電路實(shí)現(xiàn)了控制要求，控制思路驗(yàn)證是正確的，可以依此控制思路到實(shí)驗(yàn)室接實(shí)物電路。

圖6 實(shí)例3的仿真電路

4 結(jié) 語(yǔ)

從上述3個(gè)仿真實(shí)例不難看出Mulitisim仿真電動(dòng)機(jī)控制電路的優(yōu)越性。首先它提供了豐富的元器件供仿真使用，且不需要擔(dān)心器件損壞；其次操作直觀，按鈕、開(kāi)關(guān)、接觸器觸點(diǎn)動(dòng)作以及時(shí)間繼電器計(jì)時(shí)等都與實(shí)際器件操作非常相像，仿真操作過(guò)程如同實(shí)際操作過(guò)程，有利于熟悉實(shí)驗(yàn)步驟；再則，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，只有在充分理解控制要求、熟悉各器件功能的前提下才能設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單而又能反映設(shè)計(jì)思路的仿真電路，這本身也是知識(shí)的運(yùn)用與升華；最后，利用Mulitisim的優(yōu)勢(shì)，可以設(shè)計(jì)一些綜合的題目來(lái)提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，開(kāi)闊學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，訓(xùn)練學(xué)生的工程實(shí)踐思維。

[1] 付 揚(yáng). Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(4):120-122.

[2] 張明金.應(yīng)用Multisim9對(duì)數(shù)字電路的故障診斷[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(10):66-68.

[3] 雷 躍,譚永紅.用Multisim10提升電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009(4):24-27.

[4] 謝斌盛,鄧文婷.Multisim在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009(6):213-214.

[5] 王心剛. 應(yīng)用multisim提高“模擬電子技術(shù)”的教學(xué)效果[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012(34):180-182

[6] 李劍清.Multisim在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(5):32-33.

[7] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁 偉.虛實(shí)結(jié)合的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008(8):184-186.

[8] 劉同娟,馬向國(guó).Multisim在電力電子電路仿真中的應(yīng)用 [J].電力電子,2006(1):29-31.

[9] 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,等. Multisim在電類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009(5):1-3.

[10] 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[11] 殷志堅(jiān).電工實(shí)驗(yàn)與 Multisim9仿真技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

[12] 聶 典,丁 偉.Multisim10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[13] 熊 偉. Multisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[14] 莊俊華. Multisim9入門及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[15] 萬(wàn) 琰,謝海良.基于Multisim10的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路的設(shè)計(jì)與仿真[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,8(5):45-46.

[16] 王 晗.基于Multisim10的接觸器仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(3):82-84.

Simulation Design and Analysis of Electromotor Control Circuits with Multisim10

HELi

(College of Information and Control Engineering. China University of Petroleum, Qingdao 266580， China)

Multisim is used widely in simulation of electronic circuits, but papers about simulation of electromotor control circuits with Multisim were few. With some design examples the paper presents the application of Multisim simulation in electromotor control circuits. The simulation result has proved that simulation of electromotor control circuits with Multisim can improve students the effect of prep reports, help students understand the working principle and use of low-voltage control electrical devices, understand the design ideas of motor control circuits, be familiar with the experimental processes, improve the effect of experiments.

Multisim 10； simulation； electromotor control circuits

2014-08-11

賀 利(1972-)，女，四川廣安人，講師，研究方向：電氣控制及自動(dòng)化。E-mail:lilihe2006@sina.com

TP 319

A

1006-7167(2015)05-0079-04