畢業(yè)論文-基于Modelica異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)控制電路

PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Modelica語(yǔ)言的異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)控制電路機(jī)械工程系學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：機(jī)械工程系機(jī)械電子工程系部：機(jī)械電子工程專業(yè)：指導(dǎo)教師：二〇一五年六月誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名：年月日PAGEII 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：基于modelica語(yǔ)言的異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)控制電路系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械電子工程學(xué)號(hào)學(xué)生：指導(dǎo)教師（含職稱）：課題意義及目標(biāo)應(yīng)用多領(lǐng)域建模語(yǔ)言modlica，對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中典型的主電路及相應(yīng)的控制回路進(jìn)行建模和仿真。熟悉modelica語(yǔ)言及其建模環(huán)境結(jié)合機(jī)電傳動(dòng)課程中典型的異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)控制電路建立相應(yīng)的多領(lǐng)域模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析論證2．主要任務(wù)(1)、認(rèn)真閱讀任務(wù)書，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在了解課題研究目的意義及現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行充分論證，并撰寫開題報(bào)告；(2)、建立相關(guān)模型，熟悉相關(guān)軟件；(3)、完成系統(tǒng)控制分析；(4)、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書；3．主要參考資料[1]鄧建國(guó).繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)的數(shù)值計(jì)算[A]電機(jī)電器技術(shù)2001.5[2]周景雷.王麗娜.鼠籠型電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)[B]FA與工業(yè)安全2012.6[3]李麗.三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式分析[B]研究與探索2010.34．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起止日期1閱讀任務(wù)書，通過查閱資料，撰寫開題報(bào)告并進(jìn)行開題答辯；2014.11.-2014.12.312建立相關(guān)模型，熟悉相關(guān)軟件；2015.1-2015.33中期答辯；2015.42015.54完成模擬系統(tǒng)平臺(tái)搭建，建立模型并分析；2015.5-2015.65撰寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯2015.6-審核人：年月日基于Modelica語(yǔ)言的異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓起動(dòng)控制電路摘要：本文是應(yīng)用Modelica這一面向?qū)ο蠖囝I(lǐng)域語(yǔ)言對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓起動(dòng)控制電路進(jìn)行的建模和仿真。三相異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的起動(dòng)電流，容易對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成影響。通常采用定子串電阻的方式降低電動(dòng)機(jī)兩端電壓來解決這一難題。建模過程分為各組件的分別建模與各組件之間的邏輯連接建模。通過求解器對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明：電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)過程中產(chǎn)生過大起動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)定子串電阻后起動(dòng)電流明顯減小，而且在啟動(dòng)過程平穩(wěn)，該啟動(dòng)電路設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)整個(gè)電路的保護(hù)與正常運(yùn)行具有極其重要的意義。關(guān)鍵字：Modelica，多領(lǐng)域面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，三相異步電動(dòng)機(jī)，降壓?jiǎn)?dòng)，定子串電阻，控制電路，模擬仿真StatorCascadeResistorBuckStartingControlCircuitforInductionMotorBasedonModelicaLanguageAbstract:Thispaperfocusesonthemodelingandsimulationofthethree-phaseasynchronousmotorstatorseriesresistancestartingcontrolcircuitbasedonModelicawhichistheobjectorientedmultidomainlanguage.Three-phaseasynchronousmotorindirectstartingprocessproducedalargestartingcurrent,andeffectedonthegrid,usingresistanceofmotorvoltageonstartisreducedtosolvetheproblem.Themodelingprocessisdividedintothelogicalconnectionbetweeneachcomponentandthecomponent.Bycalculatingthesolvertosimulatethemodel,theresultsshowthatmotorstartupdirectlygeneratedintheprocessoflargestartingcurrent,motorstatorresistanceafterstartingcurrentissignificantlyreducedandatthestartofthestationaryprocess,simpleequipment,onthewholecircuitprotectionandnormaloperationhasveryimportantsignificance.Keywords:Modelica,Multidomainobject-orientedlanguage,Three-phaseasynchronousmotor,Buckstart,Statorseriesresistor,Controlcircuit,Simulation目錄TOC\o"1-3"\u1.前言 11.1三相異步電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)的必要性 11.2三相異步電機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)常用方法 11.3Modelica語(yǔ)言概況 22異步電動(dòng)機(jī) 32.1異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 32.2異步電動(dòng)機(jī)工作原理 42.3異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 43Modelica語(yǔ)言簡(jiǎn)介 63.1模型要素 63.1.1變量 63.1.2方程與算法 63.1.3連接 63.1.4類與類型 63.2建模功能 73.2.1面向?qū)ο蠼?73.3方程 93.4算法 93.5Modelica模型庫(kù) 94.建立異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)模型并分析 124.1異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)原理 124.2模型建立 134.3模型檢測(cè)與仿真 224.4仿真結(jié)果 254.5仿真結(jié)果分析 265.結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29感謝 30太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE30 1.前言我們實(shí)際生活和生產(chǎn)過程中，通常為解決容量較大的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)問題，采用減壓?jiǎn)?dòng)方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的減壓?jiǎn)?dòng)方式有很多種，常用的有串電阻減壓?jiǎn)?dòng)、Y-△減壓?jiǎn)?dòng)等。這里，我們基于Modelica軟件對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)控制電路進(jìn)行模擬仿真。1.1三相異步電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)的必要性根據(jù)歐姆定律可知這樣可以降低定子繞組上電壓也就是降低啟動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)在三相定子繞組上串接電阻，更好的保護(hù)電路和電動(dòng)機(jī)，當(dāng)啟動(dòng)階段結(jié)束后再將定子繞組上串接的電阻進(jìn)行短接，讓定子繞組上的電壓恢復(fù)正常，從而使電動(dòng)機(jī)在正常的額定電壓下正常運(yùn)行。這種啟動(dòng)方式不但設(shè)備簡(jiǎn)單，而且可以不受電動(dòng)機(jī)的接線方法的限制，因此在中小型生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種異步電動(dòng)機(jī)的減壓?jiǎn)?dòng)方法需要固定的啟動(dòng)電阻，使其控制體積增大，電能損耗大，這對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)來說這種方法并不可取，所以往往不采用這種方法。定子串電阻的原理是降降低異步電動(dòng)機(jī)定子兩端端電壓，同時(shí)根據(jù)歐姆定律可知。這樣就可減少啟動(dòng)時(shí)的電流。從而減少啟動(dòng)時(shí)的事故，進(jìn)一步保證了電氣控制和人員的安全，保證了電動(dòng)機(jī)的正常平穩(wěn)啟動(dòng)，對(duì)正常生產(chǎn)起了很大作用，并具有重要意義。電動(dòng)機(jī)串接電阻啟動(dòng)后，還進(jìn)一步增大了轉(zhuǎn)矩，從而使得啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)力量增加。完成了異步電動(dòng)機(jī)從低速到高速的啟動(dòng)完美變化，使得電動(dòng)機(jī)能在負(fù)載情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1.2三相異步電機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)常用方法三相交流異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，但是由于某些工業(yè)專用的三相交流異步電動(dòng)機(jī)具有特別大的容量，但是工業(yè)變壓器并沒有相對(duì)大的容量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)不進(jìn)行特殊保護(hù)，容易造成電網(wǎng)不穩(wěn)，對(duì)其他電器正常工作產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。我們可以通過對(duì)異步交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加速轉(zhuǎn)距和沖擊電流通過不同手段加以限制從而減小異步交流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和供電系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生的不良影響。我們通過電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分析并根據(jù)三相異步交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距與加在定子繞組端電壓的平方有函數(shù)關(guān)系，而電動(dòng)機(jī)的定子繞組端電壓與電動(dòng)機(jī)的定子電流也有關(guān)系，而且他們之間都是正比例關(guān)系。我們可以通過降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)加在定子繞組兩端的端電壓也就是降低異步電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電流的大小從而限制其啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的目的。改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端端電壓的這種方法在過去的幾十年里的工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。人們通常通過采用傳統(tǒng)的繼電器控制串聯(lián)電阻的方法建立的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

類似的方法還有自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)，星—角降壓?jiǎn)?dòng)，延邊三角形降壓?jiǎn)?dòng)等啟動(dòng)方式。本文著重于三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)方式。1.3Modelica語(yǔ)言概況Modelica語(yǔ)言是一種新型的多領(lǐng)域工程系統(tǒng)建模、仿真、分析與優(yōu)化通用CAE平臺(tái)，利用這個(gè)軟件可以滿足人們的多方面需求。隨著機(jī)械電子控制液壓，等專業(yè)的應(yīng)用，Modelica建立自己的領(lǐng)域庫(kù)，滿足航空航天等行業(yè)的各種設(shè)計(jì)化需求?？梢远喙こ填I(lǐng)域的系統(tǒng)建模，構(gòu)建多個(gè)工程領(lǐng)域的子模型，構(gòu)建描述一致的系統(tǒng)級(jí)模型，具有多文檔多視圖建模環(huán)境，支持多種形式的瀏覽與編輯。還可定制模型庫(kù)，便于模型資源的重用?？梢宰杂稍鰟h或更改模型庫(kù)。支持SI國(guó)際單位制，提供可靠的單位推到與檢查功能。仿真代碼還可以自動(dòng)生成。具有良好的可擴(kuò)展性。是一種基于非因果建模思想的建模語(yǔ)言。

2異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種動(dòng)力設(shè)備，能夠帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作，是廠礦企業(yè)使用最廣泛的動(dòng)力機(jī)。電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類。交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)價(jià)格便宜、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廠礦企業(yè)應(yīng)用最為廣泛。2.1異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要由固定不動(dòng)的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所組成，定子與轉(zhuǎn)子間存在很小的間隙，稱為氣隙。定子。異步電動(dòng)機(jī)定子由定子鐵心，定子繞組和機(jī)座等部件組成，定子的作用是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 圖2.1-1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2異步電動(dòng)機(jī)工作原理從上面的電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)圖中我們可以看到但電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，其中按一定的規(guī)律均勻分別布置著三組繞組就是異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯，異步電動(dòng)機(jī)是三相定子繞組鐵芯在接通三相交流電源時(shí)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)不產(chǎn)生了具有一定頻率的周期性旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)之間力的作用使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這就是電動(dòng)機(jī)由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的基本工作原理。2.3異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線，有固定機(jī)械特性曲線和人為機(jī)械特性曲線之分。異步電動(dòng)機(jī)正常工作的額定電壓與額定頻率下，用正確的連接方式接線，在轉(zhuǎn)子和定子中不去串聯(lián)任何電阻或電抗時(shí)，的機(jī)械特性曲線叫做固有機(jī)械特性或自然機(jī)械特性。根據(jù)公式

和異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可將T-s曲線轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。這就是三相異步電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性曲線，研究電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的目的是為了分析電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。式中，K為與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和電源頻率有關(guān)的一個(gè)常數(shù)；和U分別為定子繞組電壓和電源電壓，是轉(zhuǎn)子繞組每相的電阻，是電動(dòng)機(jī)不動(dòng)時(shí)每相轉(zhuǎn)子的感抗。如下圖2.4-1所示：1.點(diǎn)S是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)，T=0，n=(s=0),此時(shí)轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是衡量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的重要指標(biāo)，而且電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小將影響到電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)加速度的大小和加速時(shí)間的長(zhǎng)短，如果起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠大，在一定負(fù)載下的電動(dòng)機(jī)有可能啟動(dòng)不起來。如果將s=1代入上式中可得可見三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和定子每相上的繞組所加電壓的平方成正比，當(dāng)定子上每相的繞組上的電壓降低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)明顯下降；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)增大。2.點(diǎn)Q是電動(dòng)機(jī)的額定工作點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。即，（），此時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為式中，是電動(dòng)機(jī)的額定功率，是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率為3.點(diǎn)A使電動(dòng)機(jī)的空載工作點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為理想空載狀態(tài)。4.點(diǎn)K為電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩稱為最大轉(zhuǎn)矩，它是表征電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的重要參數(shù)。圖2.4-1異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性3Modelica語(yǔ)言簡(jiǎn)介3.1模型要素Modelica模型與其他模型相似，由變量、方程與算法、嵌套類三種要素組成。下面我們介紹模型中的各種要素。3.1.1變量變量通常代表某個(gè)物理量，表示模型的屬性，變量的類型是Real，模型還可以聲明一個(gè)以parameter前綴修飾的變量稱為參數(shù)。仿真過正中變量是隨時(shí)間變化的，而參數(shù)在仿真過程中保持為常量。模型參數(shù)在仿真進(jìn)行之前可以修改，但修改后可能會(huì)導(dǎo)致模型仿真結(jié)果發(fā)生變化。Modelica還有另外一種以constant前綴修飾的常量，這種常量不可修改。常量在仿真過程中不會(huì)發(fā)生變化，但也不能被使用者修改。3.1.2方程與算法Modelica通過方程與算法描述模型的行為，從而表達(dá)變量之間的約束關(guān)系。Modelica使用“=”操作符表示方程，“：=”操作符表示算法。Modelica的方程沒有方向性，變量之間的約束關(guān)系是非因果的，而算法表達(dá)的是變量之間的因果關(guān)系，表示將賦值表達(dá)式有點(diǎn)的表達(dá)式賦值給左邊的變量。方程是陳述式非因果的，只描述模型不說明如何求解；算法是過程式因果的，模型描述與求解同為一體。3.1.3連接Modelica中將模型與外界的通信接口定義為連接器，并通過一種稱為連接器的類（connector）的受限類來描述。組件之間的聯(lián)系通過連接來表示，連接器中包含了連接中需要描述的各個(gè)物理量，如驅(qū)動(dòng)元器件中的扭矩于角度，電子元器件中的電壓與電流。連接器與連接機(jī)制使得Modelica語(yǔ)言能夠直觀地表達(dá)物理模型的邏輯連接。3.1.4類與類型類是構(gòu)成Modelica模型的基本單元，常見的類有model、connector、block、record等。對(duì)象和組件是類的實(shí)例化，類中可以包含變量、算法和方程、嵌套類。變量代表類的屬性，算法和方程定義類的行為，描述變量之間的約束關(guān)系。類可分為一般類和受限類。受限類在語(yǔ)法規(guī)范上有限制，具有特殊用途。使用受限類便于模型代碼的閱讀與維護(hù)。一般類由關(guān)鍵字class修飾，受限類由特定關(guān)鍵字修飾，。受限類屬于一般類的特殊形式，關(guān)鍵字替換為class并不會(huì)改變模型的行為。是Modelica語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)元素。3.2建模功能Modelica是一種新型的建模語(yǔ)言。具有面向?qū)ο蠼！㈥愂鍪浇?、連續(xù)離散混合建模和多領(lǐng)域統(tǒng)一建模等多種多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模功能。他是面向?qū)ο蟮亩囝I(lǐng)域物理系統(tǒng)的模型語(yǔ)言。3.2.1面向?qū)ο蠼＃?）面向?qū)ο蠛徒M件建模組件（Component）：對(duì)應(yīng)于工程建模中的零部件或者元器件。從面向?qū)ο笊峡?，組件就是對(duì)象。對(duì)象（Object）：任何被聲明的組件本質(zhì)都是對(duì)象。Modelica是一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。任何被聲明的組件除文字外本質(zhì)上都是對(duì)象。由此可見一斑。任何一個(gè)組件，都是更小的組件表示的，最小的組件是由Modelica內(nèi)置的基本類型（如Real、Integer、Boolean等）來定義。圖3.2.1-1模型示意圖（2）類型定義與其他面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言相似，Modelica中組件是類型的實(shí)例。若內(nèi)置類型無法滿足用戶的需求，用戶可以通過類型定義的方式來擴(kuò)展所需類型。表3.2.1-1Modelica基本類型類型名說明示例Real浮點(diǎn)型Realx1=0.4；Realx2=3e-4；Integer整型Integery=7；Boolean布爾型Booleanb=ture；String字符型Stringstr=“漢字”；Enumeration枚舉型typeEnum=enumeration（first，second，third）；如上所示，Modelica類型定義的基本結(jié)構(gòu)包括：①元素定義：可以定義組件或嵌套類型，并且可以導(dǎo)入其他類型或組件，以及繼承其他類型。②行為定義：可以通過方程或算法的方式定義這種行為，這些方程或算法將會(huì)與其他存在的數(shù)據(jù)交互的模型方程一起決定求解過程。抽象類用于描述基本的共性屬性和行為，不能用于定義組件，而應(yīng)該被相似的類型繼承。定義抽象類的關(guān)鍵字是partial。（3）陳述式建模陳述式建模是通過方程而不是賦值來描述模型的行為。Modelica支持陳述式和過程式建模并存的混合建模，他們分別以equation和algorithm來分別描述方程和賦值。這里我們主要用到的是陳述式建模。陳述式建模最大的優(yōu)點(diǎn)在于用戶建模時(shí)只需要專注于物理問題的陳述，不用考慮物理問題的錯(cuò)綜復(fù)雜的求解過程實(shí)現(xiàn)過程，所以建模更加簡(jiǎn)單。框圖是一種有數(shù)據(jù)流向的建模方式?？驁D的局限性在于其模型從輸入到輸出之間數(shù)據(jù)流是單向的，如果直接采用基本方程仿真，容易產(chǎn)生代數(shù)環(huán)。Modelica支持陳述式建模，通過其面相對(duì)象的特性定義模型接口，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的連接圖和方塊圖的混合建模的方式。圖3-1基于Modelica的連接圖和方塊圖建模原理示意圖3.3方程方程是以陳述式的方式表達(dá)約束和關(guān)系，不指定數(shù)據(jù)流向和控制流。聲明方程實(shí)在變量聲明的同時(shí)給定變量的約束，這種約束在整個(gè)仿真期間必須成立。變形方程修改類的屬性，即替換類的聲明方程或者增加新的方程。等式方程與數(shù)學(xué)意義上的方程相同，表示等式兩邊表達(dá)式之間的約束關(guān)系。For方程是對(duì)一系列結(jié)構(gòu)形式相同的方程的簡(jiǎn)介表達(dá)方式。連接方程表示組件之間通過連接起建立的連接關(guān)系，本文中用到的主要是電器元件之間的連接。條件方程有兩種，if方程和when方程。Elseif是可選的，可以出現(xiàn)零次或多次；else也是可選的，最多可以出現(xiàn)一次。當(dāng)if或者elseif條件成立時(shí)，對(duì)應(yīng)中的方程生效，否則，else分支中的方程生效。If方程中如果if和elseif分支的條件不是參數(shù)和常量，則必須有對(duì)應(yīng)的else分支，并且每個(gè)分支中的方程數(shù)目是相同的。When方程用來表示事件時(shí)刻有效的瞬態(tài)方程。When方程結(jié)構(gòu)中不能有其他when方程。If方程可以包含連續(xù)的變量，而when方程中都當(dāng)作離散變量。If方程只要分支的條件成立，其中的方程作為模型的方程進(jìn)行計(jì)算，而when方程僅在條件變?yōu)閠ure的瞬時(shí)才順利計(jì)算。3.4算法算法是由一系列語(yǔ)句組成的計(jì)算過程。算法是過程式建模的重要組成部分。算法區(qū)域作為一個(gè)整體，會(huì)用到算法區(qū)域外變量的值，這些變量稱為算法的輸入，同時(shí)，在算法中會(huì)對(duì)一些變量賦值，這些被賦值的變量稱為算法的輸出。從外部來看，有n個(gè)輸出變量的算法區(qū)域可以看做是有n個(gè)方程的子系統(tǒng)，這n個(gè)方程通過算法來表達(dá)n個(gè)輸出變量之間的約束關(guān)系。算法區(qū)域中的語(yǔ)句有賦值語(yǔ)句、for循環(huán)語(yǔ)句、while循環(huán)語(yǔ)句、if條件語(yǔ)句、when條件語(yǔ)句、其他語(yǔ)句。3.5Modelica模型庫(kù)圖3.5-1是Modelica軟件中模型庫(kù)，在Modelica上我們可以通過系統(tǒng)自帶的模型庫(kù)進(jìn)行模型的仿真，我們可以在模型庫(kù)中選擇我們需要的模型而不用自行建模，這為我們?nèi)粘?yīng)用建模和仿真提供了很大便利，常見的的模型庫(kù)所在位置如下：交流電源Sinevoltage所在模型庫(kù)位置ModelicaElectricalAnalogSourceSinevoltage接地端Ground所在模型庫(kù)位置ModelicaElectricalAnalogBasicGround電阻Resistor所在模型庫(kù)位置ModelicaElectricalAnalogBasicResistor圖3.5-1OpenModelica模型庫(kù)建立模型的過程相對(duì)簡(jiǎn)單，單擊“新建Modelica類”，在彈出的對(duì)話窗口中名稱輸入“woxiangshejidemoxing”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，進(jìn)入建模界面，我們可以用鼠標(biāo)從模型庫(kù)中把我們要用的組件拖出來，在點(diǎn)擊形狀工具欄中“連接”按鈕，用鼠標(biāo)左鍵對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行連接。連接好的電路圖如圖3.5-2所示。我們可以根據(jù)自行設(shè)定的參數(shù)來進(jìn)行整個(gè)模型的仿真。圖3.5-2電路連接圖

4.建立異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)模型并分析4.1異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)原理三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜而且堅(jiān)固耐用、控制方便等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中是被使用最多的一種電動(dòng)機(jī)，但是異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流較大，如果采取減壓?jiǎn)?dòng)，最然可以大大減小啟動(dòng)電流，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也將減小,在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求高的場(chǎng)合并不適用。異步電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，他的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，它的啟動(dòng)電流一般是額定電流的5~7倍。雖然小容量異步電動(dòng)機(jī)可以全壓起動(dòng)但中大容量異步電動(dòng)機(jī)的全壓直接起動(dòng)會(huì)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，所以要采用一定的啟動(dòng)措施。降壓起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)人為地減低電機(jī)端電壓進(jìn)行啟動(dòng)，傳統(tǒng)的降壓方式有很多，這里我們著重研究定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)方式。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，把電阻串聯(lián)在電源與電動(dòng)機(jī)定子繞組之間，隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，逐級(jí)減小電阻，從而達(dá)到理想的起動(dòng)效果，這種啟動(dòng)方法比星型/三角形啟動(dòng)性能好，比自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備價(jià)格低。定子串電阻啟動(dòng)原理如下圖：圖4.1-1定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)啟動(dòng)時(shí)，接觸器KM1閉合，QS閉合，KM2斷開將啟動(dòng)電阻R串聯(lián)入定子電路中，使電動(dòng)機(jī)上的端電壓降低，啟動(dòng)電流減小，等到轉(zhuǎn)速上升到一定程度時(shí)，再將KM2閉合，KM1斷開，電阻R被短路，電動(dòng)機(jī)接上全部電壓，趨于穩(wěn)定運(yùn)行，這種啟動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行可靠，設(shè)備簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用廣泛。4.2模型建立搞清楚電動(dòng)機(jī)原理后，開始建模仿真。首先，建立電路中各元器件模型，然后聯(lián)接各元器件，形成一個(gè)完整的回路。然后進(jìn)行建模仿真。(1)建立連接點(diǎn)首先打開Modelica軟件，點(diǎn)文件→，新建一個(gè)Modelica類。如下圖所示圖4.2-1新建一個(gè)名稱為Pin的類，類別為Connector圖4.2-2點(diǎn)擊確定，輸入Pin的編程。connectorPinModelica.SIunits.Voltagev;//定義一個(gè)電壓 flowModelica.SIunits.Currenti;//定義一個(gè)電流endPin;圖4.2-3組件視圖如圖所示圖4.2-4(2)建立兩個(gè)連接點(diǎn)modelTowPinModelica.SIunits.Voltagev;Modelica.SIunits.Currenti;Pinp;//連接點(diǎn)PPinn;//連接點(diǎn)Nequationv=p.v-n.v;//兩個(gè)連接點(diǎn)之間電壓計(jì)算0=p.i+n.i;//兩個(gè)連接點(diǎn)之間的電流符合基爾霍夫定律i=p.i;//串聯(lián)電路電流相等endTowPin;(3)建立交流電源組件modelSourceextendsTowPin;parameterRealA,w;equationv=A*sin(w*time);endSource;三相電源之間電源相位差為2/3π建立另外兩相電源modelSource1extendsTowPin;parameterRealA,w,PI=3.141592653;equationv=A*sin(w*time+2/3*PI);endSource1;modelSource2extendsTowPin;parameterRealA,w,PI=3.141592653;equationv=A*sin(w*time+4/3*PI);endSource2;(4)建立電阻組件modelResistorextendsTowPin;parameterRealR;//定義一個(gè)參數(shù)RequationR*i=v;//歐姆定律endResistor;圖4.2-5電阻(5)建立電感器元件modelInductorextendsTowPin;parameterRealL;equationL*der(i)=v;//電感的與電壓的關(guān)系式endInductor;(6)建立常開接觸器（常開開關(guān)）blockopenswitchparameterRealy_start=0;//常開開關(guān)Modelica.Blocks.Interfaces.RealInputu；//輸入電壓uModelica.Blocks.Interfaces.RealOutputy；//輸出電壓yModelica.Blocks.Interfaces.BooleanInputtrigger；//感應(yīng)器equationwhentriggertheny=u;//響應(yīng)感應(yīng)器，開關(guān)閉合，輸出電壓uendwhen;initialequationy=y_start;endopenswitch;圖4.2-6常開接觸器(7)建立常閉接觸器（常閉開關(guān)）blockcloseswitchparameterRealy_start=0;Modelica.Blocks.Interfaces.BooleanInputtriggerModelica.Blocks.Interfaces.RealOutputy//輸出電壓yModelica.Blocks.Interfaces.RealInputu//輸入電壓uequationwhentriggertheny=0;//響應(yīng)接觸器輸出電壓y=0endwhen;initialequationy=u;endcloseswitch;圖4.2-7常閉接觸器(8)建立電動(dòng)機(jī)組件modelMModelica.Blocks.Interfaces.RealInputu;Modelica.Blocks.Interfaces.RealInputu1;Modelica.Blocks.Interfaces.RealInputu2;RealT;Reals;Realn;Realw(start=0);parameterRealJ=0.029;parameterRealn0=1500;equations=(1500-n)/1500;T=6*u*u*s/(36+400*s*s);n=w/6.28;J*der(w)=T;endM;圖4.2-8電動(dòng)機(jī)(9)建立三相電電源modelPowerSourceModelica.Blocks.Interfaces.RealOutputyModelica.Blocks.Interfaces.RealOutputy1Modelica.Blocks.Interfaces.RealOutputy2protectedconstantRealpi=Modelica.Constants.pi;equationy=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+0));y1=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+120));y2=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+240));endPowerSource;圖4.2-9三相電源4.3模型檢測(cè)與仿真基本模型建立后檢測(cè)各元器件是否能正常運(yùn)行，這對(duì)模型的模擬仿真非常重要。分別將各元器件進(jìn)行編譯，確定無誤后才能進(jìn)行進(jìn)一步的仿真。圖4.3-1電阻的編譯結(jié)果圖4.3-1是電阻的編譯結(jié)果，經(jīng)編譯后，各元器件均顯示正常。設(shè)置電動(dòng)機(jī)等各項(xiàng)參數(shù)，檢測(cè)電動(dòng)機(jī)是否能夠正常運(yùn)行。仿真設(shè)置電動(dòng)機(jī)仿真時(shí)間為1500以上。圖4.3-2仿真時(shí)間設(shè)置經(jīng)過仿真模擬后得出仿真結(jié)果如下圖。表示電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，說明電動(dòng)機(jī)的固有屬性圖4.3-2電動(dòng)機(jī)的固有屬性曲線上圖是電動(dòng)機(jī)模型的固有屬性曲線。經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)無誤后進(jìn)行定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)的模擬仿真，連接電路圖圖4.3-3異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)模擬仿真4.4仿真結(jié)果經(jīng)過仿真后，可得仿真結(jié)果如下圖，表示電動(dòng)機(jī)在降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后定子兩端電壓為降低后電壓，經(jīng)過啟動(dòng)穩(wěn)定后電壓恢復(fù)正常值，電電動(dòng)機(jī)再次加速直到正常工作。圖4.4-1電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)速示意圖圖4.4-2電動(dòng)機(jī)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)電流變化示意圖4.5仿真結(jié)果分析電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)過程中產(chǎn)生過大起動(dòng)電流，定子串電阻后電動(dòng)機(jī)兩端電壓變大，在整個(gè)電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)過程中，由于電動(dòng)機(jī)定子電阻變大，電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械屬性曲線被人為改變，在電動(dòng)機(jī)定子電路中外串電阻后，電動(dòng)機(jī)端電壓為電源電壓與定子外串電阻電壓的差值，因此，電動(dòng)機(jī)定子繞組上的相電壓將降低，這種情況下的人為特性于降低電源電壓時(shí)的相似。如下圖所示，電動(dòng)機(jī)定子串接不同電阻時(shí)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線的變化情況。圖4.4-3電動(dòng)機(jī)所串不同電阻時(shí)機(jī)械特性曲線變化

5.結(jié)論通過應(yīng)用Modelica語(yǔ)言我們對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)組件、電源、電阻、開關(guān)等組件分別建模，并通過Modelica語(yǔ)言進(jìn)行非因果連接，各組件之間共同影響，不存在固定的因果關(guān)系，能夠更好的模擬和仿真異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變化，通過本次研究，我們可以得出結(jié)論，三相異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)如果定子兩端串接電阻，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性發(fā)生變化，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小，到達(dá)正常工作點(diǎn)后短接定子所串電阻，電動(dòng)機(jī)再次加速轉(zhuǎn)動(dòng)，直到恢復(fù)正常工作狀態(tài)，整個(gè)啟動(dòng)過程中，起動(dòng)電流較小，啟動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的保護(hù)具有極其重要的意義。不得不說的是，雖然三相異步電動(dòng)機(jī)用定子串電阻的方法啟動(dòng)不但設(shè)備簡(jiǎn)單，并且啟動(dòng)過程平穩(wěn)，但是串接電阻后會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩明顯降低，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要較大轉(zhuǎn)矩時(shí)有可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，所以選擇正確的電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式也很重要。

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