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基于CADe_SIMU及Simulink软件模拟抽油电机过载

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：刘春芳

[导读] 摘要：针对员工在维修电工实际项目上操作时存在人身触电及电气设备损坏的风险，本文特提出采用CADe_SIMU软件模拟电路原理图中电路接通与断开情况，用Simulink软件模拟电机过载带来的电机参数（定子电流、转子电流、电机转速、机械转矩）的变化趋势，两者结合帮助我们更好分析电机过载的原理及电机过载所带来的后果，有效提升员工分析生产实际问题和解决实际问题的能力。

        天津市大港油田检测监督评价中心
        摘要：针对员工在维修电工实际项目上操作时存在人身触电及电气设备损坏的风险，本文特提出采用CADe_SIMU软件模拟电路原理图中电路接通与断开情况，用Simulink软件模拟电机过载带来的电机参数（定子电流、转子电流、电机转速、机械转矩）的变化趋势，两者结合帮助我们更好分析电机过载的原理及电机过载所带来的后果，有效提升员工分析生产实际问题和解决实际问题的能力。
        关键词：CADe_SIMU；Simulink；电机过载；模拟仿真
        0 引言
        针对以往在水电厂培训过程中采用理论教学为主、实际操作为辅的教学方法，导致岗位员工在学习过程中感到既枯燥又吃力，思想上没有明确学完课程后他能做什么，使得理论教学和现实工作岗位脱节，造成了员工的茫然、厌学，本论文特提出采用CADe_SIMU模拟电路原理图中理论分析及电路接通及断开情况，用Simulink软件模拟电机过载带来的电机参数的变化趋势，两者结合帮助我们更好分析电机过载的原理及电机过载所带来的后果。
        CADe_SIMU可绘制电气控制原理图并进行仿真[1]，是目前继电器逻辑电路仿真软件的首选。该软件中，各元器件图形已经标准化，可利用绘图区内栅格限制元器件的位置，因此可以绘出美观整齐的线路图。维修电工通过该软件的仿真功能[2]，可以观察到控制线路的动作过程，这对于员工理解控制线路的原理，以及帮助他们设计新的控制线路都是一个很好的计算机辅助工具。
        Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包[3]，是基于框图的仿真平台。Simulink最初是为仿真控制系统而建立的工具箱，在使用中易编程、易扩展，并且可以解决在使用MATLAB过程中遇到的非线性、变系数等问题。它能够进行连续系统和离散系统的仿真，也能够进行线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率系统的仿真，使不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就能仿真较大、较复杂的系统。
        1 搭建CADe_SIMU电路图
        绘制下图1所示的异步电机过载情况的电路图。图中L1L2L3表示三相交流电源；QS表示隔离开关；FU表示熔断器；KM表示接触器；FR表示热继电器；M(3~)表示三相电机；SB表示按钮；L1~L6表示指示灯。

        图1 典型三相异步电机过载实验接线图
        按下电源开关QS后，指示灯L1亮；再按下起动按钮SB2后，指示灯L5亮，接触器KM线圈通电，KM常开辅助触头闭合，KM主触头闭合，电机M连续运转；松开起动按钮SB2后，其常开触头恢复分断后，因为接触器KM的常开辅助触头闭合时已将SB2短接，控制电路仍保持接通，所以接触器KM继续得电，电动机M实现自锁连续运转。如下图2所示。

        图2 电机正常运转电路图
        假设电机过载，即按下FR模拟电机过载，此时热继电器辅助触头分断，接触器KM的自锁触头在切断控制电路时已经分断，解除自锁，SB2已经分断，所以接触器KM不能得电，电动机M也不会转动，如图3所示。

        图3 模拟电机过载电路图
        综上所述，CADe_SIMU仿真软件可以清晰看出电路接通与断开情况，使岗位员工充分了解电路的工作原理。在实际操作前模拟接线过程，防止错误操作引发触电事故和电气设备损坏事故。
        2 利用Simulink软件模拟电机过载
        设置电机的参数如下[4]：额定电压UN=380 V;电机额定功率PN=2.2Kw;额定转速nN=1500rpm; 额定频率f=50HZ；额定转矩按照TN=9550*PN/n计算，则TN=14 N.m；负载从3s开始由10 N.m上升到55N.m，仿真时间设置为5 s，仿真波形由下图4所示。

             图4 电机过载时的Simulink仿真图
        由图4可知：转子电流从之前的3A上升到15A，说明负载增加转子电流也会增加，符合实际。定子电流和转子电流类似，只是变换频率比转子快，数值上差异不大。随着负载的变大，电机转速有所下降，电机转矩上升到负载的转矩以维持电机正常运转。
        综上所述，利用Simulink软件可以清晰看出转子电流、定子电流、电机转速、机械转矩的变化趋势和具体数值大小，更加有利于我们掌握电机过载时的动态过程。
        3 结语
        本文采用CADe_SIMU软件模拟电路原理图中电路接通与断开情况，用Simulink软件模拟电机过载带来的电机参数（定子电流、转子电流、电机转速、机械转矩）的变化趋势，两者综合帮助我们更好分析电机过载的原理及电机过载所带来的后果，有效提升员工分析生产实际问题和解决实际问题的能力，避免员工实际操作时发生的触电风险，保障人身及设备安全。
        参考文献:
        [1]杨用开.用CADe_SIMU快捷绘制电气线路图[J].机电信息,2010(12):145.
        [2]赵芳.仿真教学软件在《电机与电气控制技术》一体化课程中的应用[J].计算机产品与流通,2020(01):178-179.
        [3]张金霞,樊明,陈晓弢,韩进辉,张海峰,李文秀.基于SIMULINK异步电动机的动态仿真[J].青海大学学报(自然科学版),2012,30(02):5-9.
        [4]张霞. 基于电机输出转矩的电动汽车驱动控制研究[D].西华大学,2012.