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莫斯科陷落 豆瓣:基于COSMOSMotion的交流机电传动系统过渡过程研究

2018-11-21 10:50 来源:子陵军事网 对此文章感兴趣的有:
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摘 要:作者通过分析三相异步交流电动机固有和人为机械特性,推导出了一个简单实用的电磁转矩计算公式,结合SolidWorks软件的CAE插件COSMOSMotion的动力学仿真功能,建立了交流机电传动系统的动力学仿真模型。运用此模型可以仿真机电传动系统各种工况下的过渡过程,并取得各种重要特性曲线,如速度、加速度、电磁转矩的过渡过程曲线,以便对此系统进行评价和研究。本文所提出的研究方法适用于各种直流、交流机电传动系统的动力学分析和各种复杂机械系统动力学仿真。

关键词:COSMOSMotin;动力学分析;仿真;三相交流电动机;机电传动系统;过渡过程;机械特性

中图分类号:O241.82;TM343 文献标志码: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

虽然交流电机驱动的机电传动系统在大多数情况下运行于稳定过程,但其启动、制动等过渡过程必不可少,甚至有些设备主要运行在这些过渡过程上,如电梯、塔吊等提升机械。所以研究交流机电传动系统的过渡过程对于设计和评价该系统至关重要。对一个机电传动系统进行纯粹的电力学或机械学研究已无法满足现代大型、高速复杂机电系统的设计、评价需要。如果将二者结合起来,运用先进的计算机仿真软件,对系统的过渡过程进行仿真和分析不失为一种最为有效的方法。本文试图借助于对三相异步交流电动机的机械特性的分析,探讨用SolidWorks软件建立一个机电传动系统的动力学模型,并利用其CAE插件COSMOSMotion对其进行仿真,以期得到系统的过渡曲线,如速度、加速度、电磁转矩过渡曲线,为机电传动系统在各种工况下的过渡过程研究和应用提供有益的帮助。

1 电机机械特性的简化表达式

三相异步交流电动机的机械特性——转矩与转差率的关系,可用下列公式表示:

T=2TmaxSSm+SmS(1)

其中,Tmax、Sm分别为特性曲线的最大转矩及其对应的临界转差率。

将转差率的定义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)

则(2)式简化为T=a(n0-n)(n0-n)2+b(5)

此式适用于固有和人为机械特性,所不同的仅仅是各种工况下的a、b、n0值不同而已。而这些参数只与电机的结构、型号和电路参数有关,当电机和电路参数确定之后,a、b、n0就为常数。由此可见,机械特性可以用式(5)简单的表示,即电机的电磁转矩可以简单明确地表示成一个仅随转子转速变化的代数式,这就为下面建立系统的动力学模型奠定了基础。

式(5)的正确性和使用方法可用下例来说明。

例如,欲求1.5kW三相交流异步电动机Y90L-4的固有机械特性的代数式,可先通过查手册或计算得到a、b、n0的值,代入式(5)即可。图1中曲线①就是用此法求得的固有机械特性曲线。

对于电源反接,式(5)同样适用。由于此时旋转磁场的旋转方向与原来规定方向相反,(5)式经变换后得到如下形式

T=a(-n0-n)(-n0-n)2+b(6)

由此式绘制的特性曲线如图1中曲线③所示。

式(5)亦适用于电源正接和反接时在转子回路中串电阻的情形。图1中曲线②、④即为两种情形所对应的曲线。

图1 异步电机机械特性曲线图2 仿真设置界面

2 机电传动系统的动力学模型

为了研究方便,通常将机电传动系统等效成转动惯量和负载都集中于电机转子轴上的单轴系统。本文根据这一方法将交流机电传动系统等效成一个具有2个零件——等效转子和旋转磁场的仿真模型。

其中,等效转子为电机电磁转矩和负载转矩的施加对象,其转动惯量代表了整个机电传动系统的全部转动惯量,其运动规律也就是系统的运动规律。

旋转磁场是整个仿真模型的原动件,它始终以一个恒定转速(电机同步转速n0)转动。

本文利用SolidWorks软件的CAE插件COSMOSMotion建立系统的仿真模型,其参数设置界面如图2所示。其中旋转副1和旋转副2分别为等效转子和旋转磁场各自绕自身轴旋转组成的旋转副;旋转磁场的旋转速度为电机的同步转速,当电源正接时转速设为正值,反接时设为负值;电磁转矩是等效转子的动力来源,故应在等效转子上添加单作用力矩——电磁转矩,其值的表达式按式(5)填写;同时还需添加负载转矩。至此一个机电传动系统的仿真模型便建立完毕。

COSMOSMotion软件是一个仿真功能较强的软件。在此仿真环境中对上述建立的模型进行仿真,便可以输出等效转子的速度、加速度和电磁转矩的过渡过程曲线。

3 典型过渡过程的仿真应用

在建立系统仿真模型时,必须根据所选电机型号和电机控制方式的切换要求、负载特性等准确地算出有关参数,正确的设置旋转磁场的转速与方向、等效转子的转动惯量、电磁转矩的表达式、负载转矩表达式等。否则,无法得到正确的仿真结果。以下就交流电机驱动的机电传动系统的几个典型过渡过程给出仿真应用。

应用1:系统带载直接启动的过渡过程仿真

本文以1.5kW三相交流异步电动机Y90L-4为例,由手册查得下列参数:PN=1.5kW,n0=1500r/min,nN=1400r/min,λm=2.2。

经计算可得电源正接时,

a=1961N.m.rad/s,b=1897 rad2/s2

所以仿真模型中的电磁转矩表达式设置为1961000*(WZ(35)-WZ(37))/((WZ(35)-WZ(37))**2+1897)。

其中WZ(35),WZ(37)分别为等效转子和旋转磁场的绝对转速。

假定等效转子上作用的恒负载TL=10N.m,系统转动惯量Lz=0.105269kg.m2,设置仿真时间为4s,旋转磁场转速n0=1500r/min。

对此模型进行仿真,得到启动过程中等效转子的角速度、角加速度和电磁转矩的过渡曲线如图3所示。

图3机电传动系统启动过程过渡曲线

应用2:转子串电阻带载启动的过渡过程仿真

转子串电阻启动的过渡过程仿真方法同上。所不同的是电磁转矩表达式按时间分段表示,前段为串电阻时的表达式,后段为切除电阻后的表达式。图4所示为仿真得到的等效转子角速度、角加速度和电磁转矩的过渡曲线。

图4 转子串电阻启动的过渡曲线

对比图3和图4很容易看出:串电阻可使系统重载启动;另外由于加速度一直较大,所以启动较快。

应用3:电源反接制动的过渡过程仿真

电源反接制动是在系统正常运转时,突然将电源反接,致使旋转磁场立刻反转的过渡过程。对此过程进行仿真,即在仿真模型中将旋转磁场的转速表达式按时间分为两段,前段为正值,后段为负值,得到图5所示仿真的过渡过程。

图5 机电传动系统电源反接制动过程过渡曲线

由图中可以看出,电源反接后0.63s系统转速为0。若此时未切断电源,则电机开始反转,最后系统达到新的平衡状态(匀速反转)。

限于篇幅,以上仅对几个典型的过渡过程进行了仿真。不过,使用此法完全可以对交流机电传动系统的全过程进行仿真分析。如果将其它条件也添加到此模型中,那将使仿真结果更接近于真实情况。

4结束语

交流电机驱动的机电传动系统应用非常广泛,但由于其过渡过程分析通常需要求解复杂的微积分方程,所以分析极为不便。本文以电机学理论为基础,以COSMOSMotion软件为手段,通过对仿真模型的简单设置(即只要合理的设置转矩、旋转磁场转速、负载、等效转子转动惯量、仿真时间),就可以很容易地对系统的过渡过程进行仿真。此法为研究过渡过程提供了一种简便途径,而且从上述仿真应用举例可以看出,其结果真实可信,完全可以用于各种直流、交流机电传动系统的动力学分析和各种复杂机械系统动力学仿真。

参考文献

[1]江 洪.SolidWorks动画演示与运动分析实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005(8).

[2]冯 晓.刘仲恕编.电机与电器控制[M].北京:机械工业出版社,2005(8).

[3]张 军,李宪华.基于COSMOSMotion的凸轮-推杆机构运动仿真[J].煤矿机械,2006,27(9):103-105.

[4]张晋西.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京:清华大学出版社,2007.1.

[5]侯祥明,张立祥.基于SolidWorks 下cosmosmotion 六自由度焊接机器人三维运动模拟[J].煤矿机械,2007,28(9):95-97.

[6]张晓勇,张莹.牛头刨床的机构运动仿真软件模型研究[J].西南科技大学学报,2006,21(3):71-74.

[7]李志春.单片机技术在智能交流接触器实时调控中的应用研究[J].船海工程,2007,36(1):82-85.


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(责任编辑:环球洞察

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