基于modelica语言的异步电动机能耗制动控制电路仿真

基于modelica语言的异步电动机能耗制动控制电路仿真摘要:本文首先对异步电动机和Modelica语言的发展及应用情况进行简要概述，接着对三相异步电动机的基本结构、工作原理及其能耗制动进行着重描述；然后对多领域统一建模语言Modelica的基本建模功能和使用方法进行简单介绍，并运用Modelica语言编写了本次设计中需要用到的相关元件的程序；最后详细介绍OpenModelica建模软件，并通过OpenModelica软件对异步电动机的机械特性和能耗制动特性进行建模、仿真、分析，提供了从可视化建模、仿真计算到结果参数分析的完整功能。关键词：异步电动机，Modelica，能耗制动，建模与仿真IMotorenergyconsumptionbrakingcontrolcircuitsimulationofasynchronousbasedonthemodelicalanguageAbstract:ThisarticlefirstlygivesabriefoverviewtothedevelopmentandapplicationofasynchronousmotorandtheModelicalanguage，andthendescribesthebasicstructure，workingprincipleandbrakingenergyconsumptionofthreephaseasynchronousmotor；SecondlythearticlemakesabriefintroductiontothebasicmodelfunctionandthemethodofapplicationofModelica，themultidisciplinaryunifiedmodelinglanguage，andwritesaprogramwhichisneededinthisdesigninModelicalanguage；FinallythearticleintroducesOpenModelicamodelingsoftware，andbytheusingofthissoftwaremakesamodeling，simulationandanalysistothemechanicalcharacteristicsandbrakingenergyfeatureofasynchronousmotor，whichprovidesacompletefunctiontovisualmodeling，simulationandtheanalysisoftheresult.Keywords:asynchronousmotor，Modelica，energyconsumptionbraking，themodelingandsimulationII目录第一章前言.11.1异步电动机能耗制动目的及意义.11.2异步电动机的主要用途与分类.11.3modelica语言的形成发展及应用.21.4国内外modelica语言的研究进展.3第二章modelica语言基本介绍.42.1模型要素.42.2建模功能.92.3OpenModelica建模窗口.11第三章异步电动机.163.1三相异步电动机的基本结构和工作原理.163.2三相异步电动机的定子电路与转子电路.183.3三相异步电动机的转矩与机械特性.193.4三相异步电动机的能耗制动.21第四章模型的建模与仿真分析.244.1基本元件程序编写.244.2电器元件的编写.264.3建模与仿真分析.30第五章结论.36参考文献.37致谢.380第一章前言1.1异步电动机能耗制动目的及意义在20世纪以前，电动机的发展还处于初级阶段，从诞生到初步在工业上的应用，各种电动机初步定型，电动机的理论和电动机的设计计算方法已达到快速发展的历程。20世纪是自动化控制飞快发展的时代，对电机的要求也越来越高，电机需要向性能良好、体积小、质量小、运行可靠的方向发展。随着自动控制系统的发展及广泛的应用，出现了多种高可靠性、高精度、快速性能好的控制电机。目前的动力电机正在朝着大型、巨型化发展，专用电机正在朝着高精度、微型化、长寿命发展。电动机已成为很多机电系统中的重要组成部分，在异步电动机的电力拖动过程中，很多时候会利用到异步电动机的制动，并且有时要求能准确停车，因此，对于学习异步电动机能耗制动的原理和方法有非常重要的意义。1.2异步电动机的主要用途与分类异步电动机主要用来作为电动机，保证各类生产机械的稳定运行。已投入工农业及民用方面的应用，工业上用来拖动各种金属切削机床、矿山机械、中小型轧钢设备、轻工机械等；农业上用于抽水机、脱粒机和农副产品加工机等的拖动；在民用电器方面，用于电扇、剃须刀、洗衣机和吹风机等的拖动。异步电动机有很多优点，比如它有结构较为简单、运行效率较高、价格比较便宜、不仅耐力好而且适用性强等的优点；其缺点是功率因数和调速性能较差，启动性能也没有直流电动机好。所以当前异步电动机的调速也是重要研究内容之一，目前工业上常用得主要是变频调速、变压调速和串电阻调速等方法。其功率因数虽低，但可以有办法来进行补偿，并不会影响异步电动机的使用。异步电动机运行时，定子绕组接到三相交流电源上，而转子绕组自身相当于短路，由于电磁感应存在的关系，在转子绕组中就会有电动势和电流存在，从而产生电磁转矩驱使电动机工作，所以，异步电动机又称作感应电机。异步电动机从不同的角度看，其分类方法如下：1（1）按定子相数的多少来分，有单项异步电动机、双相异步电动机和三相异步电动机；（2）按转子的结构不同分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电动机；（3）按有无换向器分，有无换向器和换向器异步电动机。1.3modelica语言的形成发展及应用Modelica仿真语言是人们在多领域物理建模与仿真方面开始关注较多的语言。尤其是近几年来欧洲仿真协会对其深入研究以解决对复杂物理系统的建模与仿真分析。Modelica语言采用统一的模型表述形式，能表述各个领域的通用模型，也能够实现多种领域复杂系统子模型之间的结构建模。其最早是源于Elmqvist博士论文的出现，后来有学者对统一建模语言进一步研究，他们结合面向对象的设计思想，引入了“类”的概念，对Modelica语言展开研究，并对物理系统进行封装和扩展，组建了很多不同领域的标准库以及扩展库，打下了面向对象的统一建模思想的一次成熟的理论基础。多领域物理系统建模是将电子、机械、液压等不同领域的模型进行“封装与扩展”，以便于在需要的时候进行调用仿真运行。随着对面向对象统一建模语言的不断深入研究，多种建模语言软件的陆续出现导致了模型定义与转换的混乱；为了避免这种状况，欧洲仿真协会组织了各国的建模和仿真领域的研究员，运用他们丰富的经验继续开展研究多领域物理建模与仿真，开发出了Modelica语言。为了便于今后Modelica语言的理论建设、系统维护及应用开发等方面研讨，于是成立了Modelica协会。基于Modelica语言的多领域物理统一建模仿真技术给复杂模型的设计、分析、优化奠定了基础。目前在欧美、日本等国家研究发展迅猛，第一个采用面向对象思想的建模语言是Dymola，现已成为市场成熟的软件工具，它提供了从可视化建模、求解得出相应曲线和动画的完备功能。国内也开始出现了Mworks软件Error!Referencesourcenotfound.。由欧洲仿真协会领头，Dassault负责组织联合汽车、软件方面的国际知名公司，构建了基于Modelica语言的欧洲模型库，之后欧洲最大的资源库全面启动。基于Modelica语言的建模和仿真技术在电力、汽车、动力及污水处理等方面的仿真中应用较广，德国航空航天中心和许多知名汽车公司也开始应用Modelica软件进行不同领域系统的工程上的仿真。中国也开始使用Modelica2语言的多领域建模和仿真技术，并在汽车的整车建模与分析和国产大飞机项目应用中取得了良好的应用效果。1.4国内外modelica语言的研究进展国内对Modelica语言的研究现主要是利用其进行物理建模及性能仿真分析，使用较多的也主要是一些研究所和高校。上海交大、华北工学院利用Modelica语言分别编制了燃气涡轮机、发动机部件的仿真模型，同时建立了燃气涡轮和单缸发动机程序库；组建了单轴燃气涡轮发动机和单缸发动机模型，并进行了发动机性能仿真（f-s曲线），最后得出合理的仿真结果。2000年，苏州同元软控信息技术有限公司开始研究基于Modelica语言不同领域的建模和仿真技术，开发出了拥有自主知识产权的能用Modelica语言进行建模与仿真的平台Mworks软件，在国内和亚太地区暂时处于领先地位。OpenModelica相当于是Modelica-based的一个建模与仿真平台，其长期发展是由一个非盈利组织开源Modelica财团(OSMC)进行维护。OpenModelica努力的目标是创建一个全面的开放源码Modelica建模、基于自由软件编译和仿真环境分布在二进制和源代码形式的研究、教学和工业使用。3第二章modelica语言基本构造2.1模型要素Modelica模型由变量、方程与算法、嵌套类等三种要素组成。如图2-1所示图2-1基本模型2.1.1变量变量是用来表示模型的属性，代表某个物理量。VanDerPol模型声明了两个变量x和y，变量的类型都是Real，变量的start仿真开始时刻的值（即属性值）都为1。模型声明了一个参数变量，即以parameter前缀修饰的变量lamda。变量在仿真过程中随时间发生变化，而参数在仿真过程中保持为常量。模型参数可在仿真运行之前修改，修改参数后的模型其仿真结果可能发生变化，例如修改VanDerPol模型的参数lamda的值，变量x和y的仿真曲线立即发生变化。模型中声明的参数使得使用者可以很容易地改变模型的行为。Modelica还有另一种以constant前缀修饰的不能被修改的常量。常量在仿真过程不发生变化，与参数不同的是，常量不能被使用者修改。2.1.2方程与算法Modelica使用方程与算法来描述模型的行为，表达各个变量间的制约关系。Modelica使用不一样的操作符表示方程与算法，方程使用“=”操作符，而在4算法中使用“：=”操作符。Modelica方程与数学方程的意义是一致的，方程等式没有方向性，变量之间的约束关系是非因果的。例子：如电路中描述电压U、电流i和电阻R之间的方程可表达为下面的赋值关系除了等式方程外，Modelica还有其他形式的方程，如声明方程、变型方程、连接方程、if方程、for方程、when方程等。算法中的一系列等式赋值描述了变量的求解过程。Modelica语言中的方程与算法是有区别的，方程只描述模型而不说明如何求解（陈述式）；算法的模型描述与求解是一体的（过程式）。方程区域的结构为：equation方程类定义结束或其它关键字方程区域的方程按语法结构分为如下几种类型：.等式方程.for方程.连接方程.条件方程.其它（reinit、assert、terminate)2.1.3连接连接器是Modelica模型和外界信息相互传递的接口，连接器的受限类用来表述连接器。组件之间的通信用连接来描述，连接时需要的各种物理量在连接器中都能找到。比如用V表示电压，i表示电流，s表示角度，f表示扭矩值；如图2-2所示是一个电子元件接口Pin和一个驱动元件接口Flange：5图2-2元器件接口要定义一个连接，比如connect(Pin1,Pin2)，Pin1跟Pin2两个连接器的类型都是Pin，被连接后成为一个连接节点。此连接相当于如下两个方程：Pin1.v=Pin2.vPinl.i+Pin2.i=O第一个方程表示连接两端电压相等，第二个方程根据基尔霍夫电流定律得出，所有通过同一个节点的（即Pin1和Pin2）电流代数和为零。基尔霍夫定律在管道网络和机械系统中的力与扭矩等领域同样适用。连接器中使用flow前缀定义一个变量为流变量，连接之后流变量将生成“和为零”的方程。Modelica标准库中定义了一些常用的连接器。连接器与连接机制使得Modelica语言能直观的表达物理模型的逻辑连接。如图2-3所示为modelica的简单电路模型建立，它们的每一个模型元件对应相应的电器元件，各个元件之间的连接能直观的体现出各组件的逻辑连接。运用此种方法建立的物理系统模型与实际的电路图几乎一致。6图2-3简单电路模型2.1.4类与类型类是组成Modelica模型最基本的单元。类的实体称为对象或组件，实体化了的类称作对象或组件的类型。类中可包含变量、嵌套类、算法及方程。变量代表类的属性，算法和方程规定类的行为，表述变量之间的相互制约关系。Modelica的类可分为两种，一种是受限类，另一种是一般类。受限类的使用有其独特的一面，所以在语法定义上有特殊限制。模型中受限类的关键字可以替换为一般类的关键字class，这样并不会让模型的行为发生改变，因为受限类是一般类概念上的特殊化形式。当语法意义相同的时候，受限类关键字也可在某些情况下替换一般类的关键字class。表2-1所示为Modelica语言的基本类型，表2-2所示为受限类与一般类的详细含义与作用。7表2-1Modelica基本类型表2-2Modelica受限类型Modelica类型可分作两种，一种为内置类型，另一种为自定义类型，其基本类型是内置类型，可直接使用而不需要声明。例如VanDerPol模型中x和y的类型是内置实型Real。Modelica定义的内置类型有五种，详细内置类型表达如表2-1所示。内置类型自身具有属性，设置这些属性可能影响模型的求解结果，例如VanDerPol模型中x和y的“start”属性值。自定义类型即用户声明的类型。自定义类型必须声明才能使用，即有类型定义才能声明该类型的实例。Modelica标准库用来存放Modelica不同领域中常用的类型，用户需要的时候直接加载该库即可在此基础上继续建模，而没有必要从最低层建立模型，这样既方便又省力。82.2建模功能Modelica是面向对象的多领域物理系统建模语言。它支持许多种类建模功能，下面介绍面向对象的建模和多领域统一建模功能及其应用实践。2.2.1连接图vs方块图Modelica语言支持陈述式建模，借助其面向对象的性质定义模型接口，能很直观的展现出连接图和方块图加以混合的建模方式。其基本原理如图2-4所示，组件通过连接机制相互连接在一起，保证组件之间的通讯，维护连接之间的约束；非因果组件构成的系统其数据流向由软件自动推导，而因果式组件的数据流向则是显而易见的。图2-4连接图和方块图原理基于Modelica建立的电机驱动模型，连接图的建模方式更简捷，也更能够清晰的体现物理系统的实际拓扑结构，如图2-5所示。图2-5基于Modelica简单电机模型92.2.2多领域统一建模Modelica语言对于多领域耦合模型能够实现统一表述，其原理为：由能量角度去考虑，根据广义基尔霍夫定律以及能量守恒定律构造出多领域耦合模型，然后用数学方程的形式来表示多领域物理系统。按照广义基尔霍夫定律，物理系统被认为是由若干组件通过其端口连接而形成的能量系统，不同组件之间用流变量、势变量来描述它们之间的能量相互传递关系。端口定义是表述模型边界上与外界之间相互传递能量的“出入口”，一个端口对应一种物理域的能量交换。参考图2-6所示的广义基尔霍夫网络，势变量是指某点相对于参考点的差量，流变量是指通过某点的量。基于Modelica实现多领域物理系统统一建模的一些方法如下：(1)利用陈述式或许过程式的方法，去封装模型的内部行为；(2)利用connector类型的组件去定义模型的外部接口；(3)利用连接机制，模型外部行为可以用连接模型间的端口表述（连接机制反映的是实际物理连接点上能量、动量或质量的平衡，其核心相当于是广义基尔霍夫定律）；(4)利用离散建模的形式来描述系统内部的离散行为；(5)组件集合封装为子系统，子系统集合封装为系统，形成层次化结构。图2-6广义基尔霍夫网络对于一个多领域物理系统，其各领域子系统之所以关联在一起，是因为各10领域子系统之间具有能量转化与传递关系，或者信号传递关系。如图2-7所示的交流电动机，由电子与机械两个领域的元件所构成。其转子在交变磁场的作用下，将电能转化为机械能，从而将电子与机械两个领域的元件关联在一起。由于不同领域的模型组件具有不同类型的模型接口，不同类型的模型接口之间无法直接建立连接。要实现不同领域之间的模型集成，需要将实际物理系统的能量转化器件，抽象映射为一个表示能量转化的模型元件，称之为能量转化器。能量转化器具有多种类型的接口，借以实现不同领域之间的模型集成。图2-7交流电动机模型2.3OpenModelica建模窗口2.3.1主窗口OpenModelica有2个工作环境，一个是直接建模环境，另一个是文本后处理器。刚启动的时候默认为欢迎主窗口，主窗口上面是菜单选项，左侧是库浏览器，中间显示最近打开过的文件和相关的新闻动态，右下侧也可以点击切换到建模和绘图窗口。启动建模环境主窗口如图2-8所示：11图2-8OpenModelica主窗口点击左上角的新建标志，弹出如图2-9所示的对话框，输入名称（只能是输入字母、数字或下划线），点击特殊化右侧的箭头可改变建立的类型，之后点击确认，即可进入建模环境窗口，如图2-10所示：图2-9新建模型对话框12图2-10OpenModelica建模窗口布局建模环境包括以下组成部分：（1）建模主窗口的上面分别是标题栏、主菜单和工具栏；（2）建模窗口的左侧是查找浏览器、库浏览器和相应模型的组件列表；（3）建模窗口的右侧是文本浏览器和变量浏览器；（4）模型编辑窗口占据大部分面积位于建模窗口中间；（5）编辑窗口下部是消息浏览器（包括查找结果、错误列表和命令窗口等）；当然我们可以根据需要，点击主菜单中的“视图窗口/工具栏”进入后可以在其前面的方框中通过勾选来决定要显示的浏览器或工具栏。文本视图窗口中我们可以根据modelica语言的语法规则和所建立模型的属性方程等编写相应的程序。如图2-11所示，文本视图由行号栏、书签栏、折叠栏和编辑区四部分组成。13图2-11OpenModelica文本视图OpenModelica仿真环境是其基本的工作区域，在此窗口中可以方便地求解模型、观察和分析仿真结果。在建模环境中，编写完成相应的程序或建立完成所需的模型后，点击工具栏中的模型检查标志，会弹出一个模型检查的对话框，显示检查成功后直接点击右箭头即可进入仿真环境或许选择菜单“仿真转到仿真环境”。仿真环境的主窗口如图2-12所示：仿真环境包含了下列窗口：变量浏览器曲线窗口动画窗口组件窗口输出栏查找结果面板命令窗口14图2-12OpenModelica仿真窗口2.3.2基本建模步骤本节介绍利用OpenModelica创建一个模型（库）的基本流程。建模过程中涉及到的操作在此只作简单介绍，详细介绍参考后续相关章节。概括地讲，创建一个模型一般需要以下步骤：(1)启动建模环境。(2)加载模型相关的模型库。(3)创建一个模型包（库）用于管理创建的模型。(4)创建具体的模型。(5)设置模型参数。(6)检查模型语法及语义的正确性。(7)编译模型，生成对应的求解器，为求解模型做准备。(8)调用求解器进行模型仿真。15第三章异步电动机3.1三相异步电动机的基本结构和工作原理3.1.1三相异步电动机的基本结构如图3-1所示，异步电动机主要由定子和转子构成。定子由铁芯、绕组和机座三部分组成；转子由铁芯、绕组和转轴组成。图3-1三相异步电动机的结构3.1.2三相异步电动机的工作原理有关三相异步电动机，其工作原理主要是借助于定子旋转磁场与转子电流两者间的相互作用关系。在定子的对称三项绕组上接通三相电源时，其绕组内将会有对称三相电流通过，然后在其空间产生沿定子的内圆周切线方向旋转的旋转磁场。如图3-2所示，当磁场旋转的时候，转子绕组的导体切割磁通线，从而产生感应电动势，由于的存在，转子绕组中将产生转子电流。根据安培定律，如果转子电流与旋转磁场之间发生相互作用，将会产生电磁力F，此力在转子轴上将会形成电磁转矩，且该电磁转矩的作用方向与旋转磁场的方向一致；转子受到此电磁转矩的牵引力，便沿着旋转磁场旋转的方向转动起来。16但是，由于转子的旋转速度和同步转速（即旋转磁场的速度）不相等，所以也称为异步电动机。转差率用s表示，表达式。图3-2异步电动机工作原理3.1.3三相异步电动机的旋转磁场当电动机定子绕组上接通三相电流，各相绕组中的电流都会产生相应的磁场。由于电流随时间变化，电流产生的磁场也将随时间变化，所以三相电流产生的总磁场也随时间变化而变化，并且是在空间旋转着的。各相电流的瞬时值可表示为如图3-3所示为这些电流随时间t的变化曲线：图3-3三相电流的波形图17旋转磁场的旋转速度会与旋转磁场磁极的对数多少有联系，设电流的频率为，则旋转磁场1分钟将会旋转60f转，所以取旋转速度。如图3-4所示，当接通三相电流的时候，可按照右手螺旋法则来判断出其产生的合成磁场方向。图3-4两极旋转磁场3.2三相异步电动机的定子电路与转子电路3.2.1定子电路分析定子每相绕组产生的感应电动势是正弦值，其有效值为=4.44；因1E1Nf旋转磁场与定子间的相对转速为，所以。0n601pnf图3-5异步电动机的每相电路图183.2.2转子电路分析旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势的有效值为；224.NfE因旋转磁场和转子之间的相对转速为，所以1000266sfpnnpf从公式可以看出转子频率与转差率有关，也就是与转速有关。由此2fsn得2124.NsfE在，也就是，转子电动势；此时，转子电0ns21204.NfE12f动势最大。转子感抗2122*LLsffX转子每相电路的电流202XsRI又因为转子由漏磁通，相应的感抗是，因此比滞后一个角度，2L22IE2转子电路的功率因数为，它也与转差率有关，2022cossXR当转差率增大时，转子感抗也增大，于是增大，相当于减小。2cos3.3三相异步电动机的转矩与机械特性3.3.1三相异步电动机的电磁转矩根据异步电动机的工作原理，异步电动机的电磁转矩是由于具有转子电流的转子导体受到磁场中的电磁力F作用而产生的。异步电动机的电磁转矩用2IT表示，其公式为，2COSIKTm是只与电动机磁极数、电源频率等参数有关的常数；是旋转磁场气隙磁通；mK19为转子电流；表示转子回路的功率因数。把上述相关公式分别代入可2I2cos得电磁转矩T的另一个表达式：，2022021sXRUKsXRK是与电动机磁极对数和电源频率等有关的数值；、分别是定子绕组的相1电压、电源的电压值；是转子各相绕组电阻的阻值；是电动机不动220的时候，转子各相绕组感抗的大小。0n3.3.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指定子在参数、电压和频率的值都不改变的情况下，电磁转矩与转差率（或转速n）相互间的函数方程表达式。异步电动机的机械特性曲线有两种，一种是固有机械特性，另一种是人为机械特性。图3-6异步电动机的固有机械特性（1）当T=0，(s=0)时，是电动机处于空载时的工作点，电动机0n的转速等于理想空载转速。（2）当，时，是电动机的额定工作点，此时额定转矩Ns表示为；式中是电动机的额定功率，是电动机的额定转速。NnPT5.9Nn（3）当，n=0（s=1）时，是电动机的启动工作点。此时启动转矩表st20达式；的大小将会影响到电动机拖动系统的加速度，从而20XRUKTststT影响加速时间，如果过小，在一定的负载下电动机也许就会启动不起来。（4）当，时，电动机处于临界工作点。此时的转矩maxmsn为最大转矩，临界转差率，。axT20XR20axXUKT人为机械特性主要有四种，分别为改变定子电源频率、定子电路接入电阻或电抗、降低电动机电源电压和转子电路串接电阻的人为特性。三相异步电动机的额定效率：电动机在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率的条件下，电动机输出的机械功率和输入的功率的比值称为额定效率，其符号用表示，表达式。N%103NNCOSIUP定子绕组接线端的连接方法：我国电工专业标准规定，定子绕组出线端的首端是、，末端是、。根据电源电压和电动机的额定电1D234D56压情况，三相绕组的接法有两种，一种是三角形和另一种为星形。3.4三相异步电动机的能耗制动异步电动机和直流电动机一样，除了电动的正常运转，也有反接、能耗和反馈（发电制动）3种制动方法。它们的共同特点是电动机的电磁转矩T与转速的方向相差180度，电磁转矩起到制动的作用，电动机把轴上的机械能加以吸收然后转换成为电能消耗掉。用异步电动机的反接制动来准确地停车存在一定的困难，因为它容易造成反转，并且电能损耗比较大；反馈制动是综合比较实用的制动方式，然而其缺点是必须在速度大于一定的转速时才能使用；能耗制动是比较常用的达到准确停车的方式。3.4.1异步电动机能耗制动原理异步电动机能耗制动原理是这样的：在异步电动机处于正常运转状态下的21时候，断开定子绕组上的三相电源之后，立即接到直流电源上即可实现能耗制动。如图3-7所示为其原理电路图。进行能耗制动时，首先断开定子绕组上的三相交流电源也就是断开开关1KM，然后马上使一个低压直流电源接通定子绕组也即是合上开关2KM。直流电流通过电动机的定子绕组后，将在其内部形成一个固定的磁场，当转子在系统运转时吸收的机械能作用下旋转的时候，旋转转子会切割磁力线使导体内产生感应电势和电流，在感应电流和固定不变磁场之间的作用下，产生一个作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩。该制动转矩致使电动机转速下降，此时转子电路中的电阻把运动系统通过吸收机械能而转换形成的电能消耗完毕。根据制动原理，磁通势与转子的相对速度表示为，磁通势的转速即同步转速表达式为，能耗制动的转差率表示为。能耗制动的机械表达式为：图3-7异步电动机能耗制动原理3.4.2能耗制动的机械特性曲线能耗制动的机械特性曲线如图3-8所示，制动时系统运行点从特性曲线122的点a平移到特性曲线2的点b，由于有制动转矩与负载转矩的作用，电动机转速沿特征线2减速下降，直到，当时，所以能耗制动能实现准确停车。但是当电动机停止转动后，要马上断开直流电源，否则会烧坏定子绕组。另外，随着制动的逐步进行，电动机转速的越来越低，能耗制动的转矩越来越小，因此制动过程会比较平稳，可是其制动效果不如反接制动的好。制动力矩的大小和定子直流励磁电流的大小（恒定磁场的强弱）受转子电流大小的影响，即取决于转子转速和转子电阻。因此，对鼠笼式电动机而言，可以通过改变直流电压U，改变定子直流电流的大小，而对绕线式电动机可以通过改变和转子回路电阻来控制制动转矩的强弱。由于制动时间短，定子直流励磁电流可以大于电动机的定子额定电流，一般为。利用能耗制动能够让机器达到准确停车的特点，已经在起重运输、机床和矿井提升等生产机械上起着重要作用。图3-8异步电动机能耗制动机械特性3.4.3异步电动机的能耗制动控制电路能耗制动是三相异步电动机切除三相电源后，马上将直流电源通入定子绕组，在转速将要接近零的时候，切除直流电源的过程。图3-9所示是通过复合按钮手自动控制的能耗制动控制电路。从主电路中可看出，交流电先经控制变压器的降压，然后进行桥式整流而变成直流电。按下启动开关SB2后，使线圈KM1通电而接通电路，电动机开始转动，这时候23KM2失电。当按下停止开关SB1之后，线圈KM1失电，使电动机定子绕组与三相电源断开。同时线圈KM2和通电延时型的时间继电器KT得电，由KM2和KT的辅助触点产生自锁，使得开关KM2动合触点得以接通整流电路，从而使定子绕组接通直流电源，便会产生制动转矩，让电动机的转速迅速下降。能耗制动的电路断开是由KT控制的，即经过一段延时后，其时间继电器KT的动断触点分离，使得线圈KM2失电，然后断开通入电动机定子的直流电源，能耗制动便结束了。图3-9能耗制动控制电路第四章模型的建模与仿真分析4.1基本元件程序编写利用OpenModelica软件，根据异步电动机能耗制动控制电路的建模需要，编写了下面的相关模型的程序。4.1.1元件接口pin和Flange第一句表示创建了一个连接类的接口pin；第二、三句表示定义了电压v24和电流i，前缀flow表明电流i是一个流变量，即通过一个节点的所有电流之代数和等于零；最后一句表示程序结束。第一句表示创建了一个连接类接口Flange；第二、三句表示定义了位移s和力f；最后一句表示程序结束。4.1.2连接方程连接形式为：相当于图4-1是对其示意直观解释：表示连接的接口pin1与接口pin2的电压大小及其方向相等，电流大小相等方向相反。图4-1连接形式示意图4.1.3部分组件结构TwoPin第一句表示创建了一个模型Twopin；第二、三句为定义了电压和电流；第四、五句分别表示电源的正极和负极；第六句表示下面语句为方程，第七、八、25九句为所编写的方程；最后为结束句。图4-2表示该程序的示意图：图4-2Twopin示意图4.2电器元件的编写4.2.1基本电器元件(1)电阻Resistor第一句表示建立一个模型Resistor；第二句表示继承了TwoPin的属性；第三句表示定义了一个参数变量R；第四、五、六句表示编写方程及结束。下面是电阻R的示意图：（2）电感Inductor第一句表示建立了一个模型Inductor；第二句表示继承了TwoPin的属性；第三句表示定义了一个参数变量L；第四、五、六句表示编写方程及结束。下面是电感L的示意图：26（3）三相电源PowerSource第一句表示建立了一个模型PowerSource；第二、三、四句表示分别定义了电压U、U1、U2；第五、六句表示定义了一个受到保护的量，即恒定不变的量Pi；第七、八、九、十句为根据三相电源的理论基础建立的相关方程；最后一句表示程序结束；下面为电源示意图：（4）接地Ground第一句表示建立了一个模型Ground；第二句表示模型正极；第三、四句为根据接地的原理所建立的方程；最后为结束句。下面是接地的示意图：（5）电阻回路元件的连接27第一句表示建立了一个模型ResistorCircuit；由于已经建立了电阻模型，所以第二、三、四句分别表示建立及定义了电阻模型R1、R2、R3；第五、六、七句表示方程及其连接；最后表示程序结束。第六、七句程序等效于：它表示在此节点的电压相等，电流的代数和等于零；其回路示意图如下所示：图4-3电阻回路元件连接4.2.2电动机模型特性的编写（1）异步电动机固有特性第一句表示建立了一个框图motortest1；第二、三、四句表示分别定义了电源电压U1、U2、U3；第五、六表示定义了浮点型数值T和x；第七、八、九28句为根据上述2.3中异步电动机的电磁转矩公式和转差率公式编写的程序，x表示转差率，T表示转矩，time表示电动机的额定转速；最后表示程序结束。（2）能耗制动特性第一句表示建立了一个框图nenghaozd；第二句表示定义了直流电源电压U；第三、四句表示定义了浮点型数值T和s；第五、六、七句是根据异步电动机能耗制动原理及相关机械特性建立的方程，s表示转差率，T表示转矩，（-time）表示电动机转子相对速度；最后一句表示程序结束。4.2.3启动和能耗制动过程相结合程序编写程序的第一行为建立一个框图DDJTXQX；2到7行分别定义相关参数；第8到19行为根据异步电动机原理和其能耗制动属性建立相关方程，并用到29if。else。语句来连接它们；第20行为仿真时候的一个关于时间的设定提醒；最后一行为程序结束。4.3建模与仿真分析根据异步电动机能耗制动控制电路图，通过OpenModelica软件建立所需要的模型，并简要介绍其建立过程，然后根据需要对模型进行仿真分析。4.3.1模型的建立（1）三相电源模型的建立图4-4三相电源模型在上述4.2.1中已经编写了三相电源的程序，所以可以直接在其建模环境中直接绘制出如图4-4所示的三相电源模型，从而此模型具备三相电源属性。（2）异步电动机模型的建立30图4-5异步电动机模型为了即方便又能直观的体现电动机，在4.2.2的电动机模型程序的建模环境中建立如图4-5所示的模型，M表示电动机，3表示三相交流，U1、U2、U3分别表示三相电源的输入连接口。（3）能耗制动控制电路的建立图4-6能耗制动控制电路模型从图4-6可以看出能耗制动的两个回路，一个是三相电源、开关KM1、电动机，另一个是直流电源、开关KM2、电动机。当要启动电动机时，step1给出信号使开关KM1闭合电动机通电启动，最后达到电动机的运行状态转速为n；当需要停止电动机运行时，step1给出信号使开关KM1断开，三相电源断开，31同时step2给出信号使开关KM2闭合，电动机接通直流电源。（4）能耗制动过程模型建立电动机运行时突然切断接入的三相交流电源，然后马上在其定子绕组上通入直流电源，会在其内部形成一个在空间固定的磁通势。如图4-7所示，在三相电源断开后的瞬间，由于机械惯性，电动机的转速不能突变，会继续维持原来的顺时针方向继续旋转，此时对于旋转的转子而言空间固定不变的磁通势则相当于一个旋转的磁通势，其旋转方向与电动机转子旋转方向相反（即为逆时针方向），旋转速度大小表示为。由于转子和空间旋转磁通势之间有相对运动，转子上会有感应电动势，从而产生感应电流，进而转子受到电磁转矩T的作用，由于T的方向与旋转磁通势的方向一致（逆时针），与转子的旋转方向相差180度，电动机处于制动状态，T为制动性的阻转矩。在制动停车过程中，转动部分吸收的动能被转换成为电能，最后转子回路中的电阻把电能消耗完毕，所以称为能耗制动过程。图4-7能耗制动过程模型324.3.2仿真分析（1）异步电动机速度和时间关系的仿真图4-8速度与时间关系图从图4-8我们可以得出，随着时间的增加，电动机的速度逐步变大，到将近1700秒时电动机速度达到最大，以最大速度运行到1800秒时电动机开始减速，即能耗制动开始进行，最后减到零，如果此时不切断电源，速度将会变为负值。（2）异步电动机转矩与时间关系的仿真图4-9转矩与时间关系图由图4-9所示，可以得到异步电动机转矩与时间的关系，当电动机开始启动时，转矩逐渐增大，由于电动机处于空载，随后又慢慢减小至零；当时间为1800秒时，为能耗制动开始，瞬间电动机转矩变为负值。（3）固有机械特性仿真曲线33三相异步电动机在定子、转子回路不串入任何电路元件，且电压、频率均为额定值不变的情况下的机械特性为固有机械特性。如图4-10所示为其T-n曲线（即T-s曲线）。表明三相异步电动机的固有机械特性是一条曲线，并具有以下特点：当时，特性曲线在第一象限，电磁转矩和转速都为正值；当的时候，最大，为电动机理想空载运行点；当，此时的转矩为，是电动机启动点；曲线最右侧的点为电磁转矩最大点，即。图4-10固有机械特性仿真（4）能耗制动特性仿真曲线由图4-11所示得出，能耗制动时的机械特性曲线与电动机定子接三相交流电源运行时的机械特性相似，也是一条具有最大值的曲线，电磁转矩时，所对应的转差率，其相应的转速。采用能耗制动要保证准确停车，在转速时得及