Maxwell与Simplorer联合仿真

三相鼠笼式异步电动机的协同仿真模型实验分析

本文所采用的电机是参照《Ansoft 12在工程电磁场中的应用》一书所给的使用RMxprt输入机械参数所生成的三相鼠笼式异步电动机,并且由RMxprt的电机模型直接导出2D模型。由于个人需要,对电机的参数有一定的修改,但是使用Y160M--4的电机并不影响联合仿真的过程与结果。

1.1 Maxwell与Simplorer联合仿真的设置

1.1.1Maxwell端的设置

在Maxwell 2D模型中进行一下几步设置:

第一步,设置Maxwell和Simplorer端口连接功能。右键单击Model项,选择Set Symmetry Multiplier项,如图1.1所示,单击后弹出图1.2的对话框。

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图1.1 查找过程示意图

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图1.2 设计设置对话框

在对话框中,选择Advanced Product Coupling项,勾选其下的Enable tr-tr link with Sim 。至此,完成第一步操作。

第二步,2D模型的激励源设置。单击Excitation项的加号,显示Phase A、Phase B、Phase C各项。双击Phase A项,弹出如图1.3所示的对话框。

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图1.3 A相激励源设置

在上图的对话框中,将激励源的Type项设置为External,并勾选其后的Strander,并且设置初始电流Initial Current项为0。Number of parallel branch项按照电机的设置要求,其值为1。参数设置完成后,点击确定退出。

需要说明的一点是,建议在设置Maxwell与Simplorer连接功能即第一步之前,记录电压激励源下的电阻和电感。事实上,这里的电阻和电感就是Maxwell 2D计算出的电机的定子电阻与定子电感。这两个数据在外电路的连接中会使用到,在后面会详细说明。

至此,Maxwell端的设置完毕。

1.1.2 Simplorer端的设置

Simplorer端的设置,主要是对电机外电路的设置,具体的电路会在空载实验和额定负载实验中详细给出,这里不再赘述。

1.1.3 联合仿真时间的设置

联合仿真时,Maxwell和Simplorer同时运行,程序按照各自设定的时间和步长运行。其中Simplorer是主动者,Maxwell是被动者,当Maxwell运行完毕但Simplorer尚在运行时,Maxwell将重新运行,与Simplorer进行数据交换。在实践中,发现仿真时间的设置对结果有一定的影响。例如,将二者仿真时间和步长设置相同的话,仿真的结果就不正确。在反复试验的前提下,得到如下经验:将Simplorer的时间和步长设置长一些,将Maxwell的时间和步长设置短一些,这样实验的结果就接近正确值。

1.1.4 2D模型的导入

2D模型的导入Simplorer中的步骤,如图1.4所示。

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图1.4 导入步骤

点击以后,会弹出图1.5所示的对话框。

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图1.5 2D导入对话框

其中File项是指待添加Maxwell 2D模型的位置,下面的选项是选择2D模型还是3D模型,Solution项是选择对应的TR。

1.2 空载实验协同仿真分析

1.2.1 Simplorer电路设置

空载实验的电路图如图1.6所示。

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图1.6 空载实验电路设置图

外电路的确定主要是通过以下几个步骤:

①电源电压不能直接与电机的三相输入端口直接相连,通过查阅资料得知,需要在线路上添加电阻或电感器件。实验初始,加入小电阻,相当于电源的内阻,在外电路设置的基础上可以运行。

②三相输出连接在一起,接地与不接地不影响实验的结果,这个是通过对比验证得出的结论。

③MotionSetup1端口,是在2D模型中Model项的修饰部分,在生成2D模型时系统自动设定。经过对比实验,得出如下结论:如果MotionSetup1输入端口接入转速源,改变转速源的参数值不影响电机的输出变化;如果MotionSetup1输入端口接地,电机的输出结果与加入转速源的输出结果是一致的,因此,MotionSetup1输入端口不管接什么类型的源,均不影响电机的输出结果。但是在2D模型中改变MotionSetup1的话,输出将随着输入的不同转速发生改变,于是就知道MotionSetup1输入端口取决于2D模型中的设定,跟Simplorer中的连接方式没有任何关系。在此基础上,选定Simplorer中MotionSetup1输入端口接地。

④对于MotionSetup1.out的设定也是通过对比实验来确定:

在其他外电路连接完全相同的条件下,输出端口接地和接转动惯量的电机定

子电流如图1.7和1.8所示:

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图1.7 输出端口接地的定子电流图

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图1.8 输出端口接转动惯量的定子电流图

通过对比可以看出,接地的定子电流稳定的要快,而接转动惯量的定子电流稳定的要慢,但是和原来的导入RMxprt模型实验和自带电机模型试验的定子电流图保持一致。也就是说,加入转动惯量以后,电机会仿真起动过程,这就是先前的实验中为什么要加入转动惯量MASS_ROT的原因了。

⑤本实验最关键的一点就是对电阻和电感数值的选取。

a、先前在线路中只加入一小电阻,考虑作为电源内阻的功能,但是出来的定子电流相当不理想,如图1.9所示。

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图1.9 单纯加入小电阻的定子电流图

从上图看出,虽然三相电流最终达到稳定,但是明显不符合要求:A相电流太大,B、C相电流相对较小,而且还是负值,这与理想中的空载电流相差很大。

b、如果加入小电阻和小电感,电流的波形与图1.9相差不大。

c、在前两组实验中,得到的结论是线路的电阻和电感不能随意设定,必须设置合适的参数才能得到正确的结果,在此基础上,考虑将电阻值设定为电机的定子电阻值,将电感值设定为定子的漏感。执行新的实验方案,得到了正确的波形。

总结以上几点的分析,并结合一定数量的实验,得出图1.6电机的空载实验原理图:

A、B、C为三相电压,有效值为220V,相位依次相差

120;R1、R2、R3为电机的定子电阻,值为0.921989Ω;L1、L2、L3为定子侧的漏电感,值为0.00777424H;电机的三相输入接电源,三相输出连接在一起,MotionSetup1输入端口接地,输出端口接电机的转动惯量,值为0.0968218㎏㎡。至此,线路连接完毕。

6.2.2 实验结果及分析

1、定子相电流波形如图1.10所示。

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图1.10 空载实验定子相电流波形从图中可以看出,电机在0.8s左右完成起动过程,此后稳定在空载状态,空载电流的有效值为2.43A。与RMxprt的空载电流2.40252A相比,差距不大。

2、电机转速图如图1.11所示

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图1.11 电机的转速图

电机开始启动,转速逐渐上升,最终稳定在1500rpm。

1.3突加突卸负载的协同仿真

1.3.1实验原理图

实验原理如图1.12所示。

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图1.12 突加突卸负载实验原理图

实验中,0~1s时电机完成起动并稳定在空载状态;在2s时加入负载,负载转矩为24 N·m,1~2s电机处于负载状态;在3s时卸去负载,电机处于空载状态,仿真时间为4s。

6.3.2实验结果及分析

1、定子相电流图如图1.13所示

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图1.13 突加突卸实验定子相电流图

从图中可以看出,在0~2s时电机完成起动并稳定在空载状态;在2s时加入负载时,定子电流开始上升,最终在稳定的负载状态;在3s时卸去负载,电流开始下降,最终回到空载状态。

2、电机转速如图1.14所示

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图1.14 突加突卸实验电机转速图

从图中可以看出,在0~2s时电机完成起动并稳定在空载状态,空载转速为1500 rpm;在2s时加入负载时,电机转速开始下降,最终运行在某一确定转速;在3s时卸去负载,转速开始上升,最终稳定在空载状态。

3、电机的转矩图如图1.15所示

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电机的转速图与先前的实验趋势相同。

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