变压器负载运行状态仿真课程设计

1、XINYUUNIVERSITY课程设计（论文）说明书题目：变压器负载运行状态仿真院（系）：机械工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：点传学号：1101230307指导教师：谢富珍职称：M2013年12月6日目录1引言12变压器介绍22.1 变压器分类22.2 变压器负载运行时的效率特性22.3 变压器负载运行时的电磁过程32.4 负载运行时的方程式42.5 变压器绕组折算52.6 变压器运行等效电路63课题设计要求93.1 课程设计要求93.2 课程设计目标93.3 课程设计过程103.3.1 负载运行T型等效电路模型图103.3.2 负载运行计算基本原理103.3.3 利用matlab编

2、程语言计算123.4 使用Simulink建立的仿真模型15结165参考文献171引言MATLA%面向工程计算的高级交互式软件，是一个可以完成各种计算和数据处理的、可视化的、易学易理解的大众化工具，MATLAET泛应用于数学、物理、工程等各领域，MATLAB已成为世界各地高校最流行的用于科学和仿真的软件。Simulink是MATLAB!来对动态系统进行创建、仿真与分析的软件包，在电气工程中应用非常广泛。Simulink是MATLA中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB勺框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建

3、模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。变压器的效率一般

4、很高，电力变压器可达95%Z上。变压器容量越大，效率越高，巨型电力变压器可达99犯上，所以，用它来传递电能既方便又经济。在电能的传输过程中，总是把电压提高，因为传输一定的电功率，电压越高，电流也就越小。这样，既可以节省导线(因为截面积可以减小)和其他架设费用，又可以减少送电时导线上的损耗。学会使用Simulink建立仿真模型。计算一、二次侧的实际电流和励磁电流。首先对题目进行分析，其次进行MATLAB?序设计并给出其程序清单，最后给出计算结果。2变压器2.1变压器的分类，按负载导则变压器分为三类a.配电变压器。电压在35kV及以下，三相额定容量在2500kVA及以下，单相额定容量在833kVA

5、及以下，具有独立绕组，自然循环冷却的变压器。b.中型变压器。三相额定容量不超过100MVAE每柱容量不超过33.3MVA具有独立绕组，且额定短路阻抗(Z)符合式(2)要求的变压器c.大型变压器。三相额定容量100MVAZ上，或其额定短路阻抗大于式(2)计算值的变压器。负载状态的分类。d.正常周期性负载：在周期性负载中，某段时间环境温度较高，或超过额定电流，但可以由其它时间内环境温度较低，或低于额定电流所补偿。从热老化的观点出发，它与设计采用的环境温度下施加额定负载是等效的。e.长期急救周期性负载：要求变压器长时间在环境温度较高，或超过额定电流下运行。这种运行方式可能持续几星期或几个月，将导致变

6、压器的老化加速，但不直接危及绝缘的安全。f.短期急救负载：要求变压器短时间大幅度超额定电流运行。这种负载可能导致绕组热点温度达到危险的程度，使绝缘强度暂时下降。2.2 变压器负载运行的效率特性当变压器负载运行时，其效率为输出与输入的有功功率之比，即4=P2/P1=P2/(P2EP)*100%式中：为二次侧输出的有功功率；为一次侧输入的有功功率；为变压器的总损耗。引入负载系数，并忽略副边端电压在变压器负载时的变化即，则三相变压器的输出功率为：P2=33U2nBI2ncos小=BSncos小变压器总的损耗包含有铁耗和铜耗两部分。因变压器负载时和空载时铁心中的主磁通基本不变，相应地铁耗也基本不变，故

7、又把叫做不变损耗；而铜耗是电流经一、二次侧绕组的电阻上产生的有功损耗，铜耗与负载电流的平方成正比，故又把叫做可变损耗。额定电流下的铜耗等于短路实验电流为额定值时输入的有功功率，而负载不为额定值时，设忽略空载电流，则铜耗与负载系数的平方成正比。效率特性曲线是一条具有最大值的曲线，最大值出现在的地方，即最大效率发生在铁耗与铜耗相等的时侯，为方便起见，此时的负载系数记Bm。一股电力变压器带的负载都不是恒定不变的，而有一定的波动，因此变压器就不可能一直运行在额定负载的情况，设计变压器时，一般的总小于1。通常电力变压器的最高效率发生在，的条件下，中小型变压器的效率约为，大型变压器一股可达99%以上。可通

8、过变压器负载运行实验测定。2.3 变压器负载运行时的电磁过程图2-3单相变压器负载运行图变压器二次绕组接负载ZL,二次绕组有电流»2流过，输出电压状2=)2ZL;电流)2建立二次磁动势22=2222,作用在主磁路上，企图改变主磁通。电源电压炉1不变时，主磁通击基本不变。一次绕组的电流必须相应由石增大为1,一次磁动势也由户0增大为"1=jlN1,以抵消二次磁动势对主磁通的影响，从而保持主磁通不变。户1和户2除共同建立主磁通外，还分别产生交链各自绕组的漏磁通击1(7和击2(T，并在一、二次绕组中感应漏电动势宜1(T和宜2(T。d(7和*2(7可以用漏抗压降的形式来表示：*C1,

9、瓦仃7乩。x2称为二次绕组的漏抗，与二次绕组漏磁通相对应，为常量，町=口大晅*叫"、二次绕组电流分别在一、二次绕组电阻上产生压降?1r1和f2r2.变压器负载运行时各物理量的关系总结如下:八EiftT芭80-j/2由«/工5一八zz2.4变压器负载运行时的方程式磁动势平衡方程式负载时建立主磁通的磁动势为户1和户2空载时建立主磁通的磁动势为户0空载到负载，主磁通本基本不变一磁动势平衡方程式户1+户2=户0«'1谀写为电流形式：4M+八必=%M-/=九+（一上八）=70+0kr式中A.址抵消二次磁动势对主磁通影响的负载分宿/；4£一：4是产生主碳通的

10、激磁分量.很小，忽略/；："二k一、二次绕组的电流与其匝数成反比，变压器变压的同时也改变了电流的大小。电动势平衡方程式根据基尔霍夫第二定律，参照图1.4.2-1所示参考正方向负载运行时各物理量的关系，可得一、二次绕组的电动势平衡方程式IU=-E+4r,+jAxi=-Ej+/；ii,>l=&+E为Tn-LnH/nai=£<-/,岂ig=h42.5绕组折算变压器一、二次绕组间只有磁耦合，没有电联系，分析、计算很不方便。为得到一、二次绕组间有电联系的等效电路，需要引入绕组折算的概念。在变压器中，习惯把二次绕组折算到一次绕组，即用一个与一次绕组匝数相等的假想二次

11、绕组代替实际的二次绕组，并在折算过程中满足"等效"的原则。所谓"等效”是指折算部分折算前后对未折算部分作用相同，并且折算部分折算前后各物理量的关系和功率不变（包括有功功率和无功功率）。习惯用原物理量右上角加一撇皿来表示折算后的物理量。下面根据折算的原则，导出二次绕组折算前后各物理量的关系。电流的折算若折算前后二次磁动势不变，则二次绕组对一次绕组的作用就不变，满足折算的"等效"原则。2 .电动箝的胡第折算前后二次磁动势不变.则主磁通不变-4.44/1&一幼$J3 .用抗的折算折算前后二次绕组消耗有功功率,无功功率制输出功率不变.二次绕组折

12、算到一次绕组，凡单位是伏特的物理量折算后的值等于折算前的值乘以变比k,凡单位是安培的物理量折算后的值等于折算前的值除以变比k,凡单位是欧姆的物理量折算后的值等于折算前的值乘以k*k。1.一次绕组的电动势平衡方程现=£+/.III*2一二次绕组的电动势平衡方程丈=EIizi3.磁动势平恻方程式。=/（）I（一乙）赠电动势的阻抗压降表示式X=Q=一5*负载网路电压力程式由=z；££ts2.6 变压器负载运行时的等效电路由折算后的基本方程式组可画出变压器负载运行时的等效电路如图2.6.5- 1所示。图中一次绕组漏阻抗药=十）勺、二次绕组漏阻抗ZH3和激磁阻抗/丁+/%所

13、在的三条支路呈"T"字型，称为T型等效电路。它是变压器最基本的等效电路,能准确反映变压但它是混联电路,运算比较麻烦RhiT型等效电路图2-6-1命一次绕组漏阻抗很小，通常将激磁支路移到一次绕组漏阻抗前，得到如图2-6-1所示的近似等效电路。近似等效电路是并联电路，可大大简化计算,常用来定量计算图2-6-2变压器的近似等效电路激磁电流很小，在T型等效电路中去掉激磁支路，可得更简单的串联电路，如图2-6-2所示，称为简化等效电路，常用来定性分析。图2-6-3变压器的简化等效电路图2-6-3中，可，称为短路电阻；为=打+以，称为短路电抗;%=年+网，称为短路阻抗。短路阻抗为漏阻抗

14、参数，数值较小且为常数。根据基尔霍夫第二定律，参照图1.4.5-3简化等效电路所示的参考正方向,可得与其相应的电压平衡方程式如下：'二-二一二-2.7 负载运行时的相量图不同的等效电路对应不同的方程式组，因此有不同的相量图。下面主要介绍T型等效电路和简化等效电路的相量图。T型等效电路的相量图通常已旬负载情况和变压器参数，即已知负载电卸；，电海;及其夹和一功率因教角外相变隹翳参数4=a+j*,z=匕+jg、+K卜利感性贪飘用根据与T鲫以螭对应的基本方程式组面«量同如图246T所沆&w器带感性负载运行时的相量图-3课题设计要求3.1课程设计主要要求SnfNU1NU2NRi

15、R2X1X2RmX10kVA50Hz380V220V0.14c0.035c0.22Q0.055c3g31m01一次侧加上额定频率的额定电压并保持不变，二次侧负载阻抗。课程设计要求：ZL=4j5'?(1)计算T形等效电路中的各参数？(笔算)并画出其模型图？(电脑绘图)(2)在高压侧施加额定电压时，利用MATLA歆件编程语言，结合变压器的T形等效电路图进行计算一、二次侧的实际电流和励磁电流？铁损耗及铜损耗？(3)使用Simulink建立仿真模型，计算一、二次侧的实际电流和励磁电流？3.2 课程设计目标通过变压器负载运行状态仿真的课程设计，我们可以从中加深对变压器的认识，计算T形等效电路中的

16、各参数，并画出其模型图，并在高压侧施加额定电压时，利用MATLA歆件编程语言，结合变压器的T形等效电路图进行计算一、二次侧的实际电流和励磁电流，铁损耗及铜损耗。并学会使用Simulink建立仿真模型。计算一、二次侧的实际电流和励磁电流。3.3 课程设计过程3.3.1 变压器负载运行T形等效电路模型图11十R1图3-3-1T形等效电路模型图3.3.2 变压器负载运行计算基本原理首先计算额定电流和变比I1N=SN/U1NI2N=SN/U2Nk=U1N/U2N计算T形等效电路中的未知参数Z1=R1+jX1R'2=k2R2X'2=k2X2Z'2=R2+jX'2Z'

17、;L=k2ZLZm=Rm+jXm输入阻抗：Zd=Z1+1/1/Zm+1/(Z'2+ZL)计算电流和电压I1=U1/Zd-E1=U-I1Z1-I2=-E1/(Z'2+ZL)I2=kI'2U'2=I'2Z'LU2=U2/k功率因素、功率和效率cos61=cos(angle(Zd)cos62=cos(angle(ZL)P1=U1I1cos61P2=U2I2cos614=P1/P2损耗Im=-E1/ZmIm=abs(Im)pFe=I2mRmpCu1=I21R1pCu2=I22R23.3.3 利用MATLA歌件编程语言计算在高压侧施加额定电压时，利用MAT

18、LAB软件编程语言，结合变压器的T形等效电路图进行计算。首先打开MATLAB件，在软件下新建Mt件，进行编程。程序如下：SN=10e3;U1N=380;U2N=220;r1=0.14;r2=0.035;x1=0.22;x2=0.055;rm=30;xm=310;ZL=4+j*5;I1N=SN/U1N;I2N=SN/U2N;k=U1N/U2N;Z1=r1+j*x1;rr2=kA2*r2;xx2=kA2*x2;ZZ2=rr2+j*xx2;ZZL=kA2*ZL;Zm=rm+j*xm;Zd=Z1+1/(1/Zm+1/(ZZ2+ZZL);U1I=U1N;I1I=U1I/Zd;E1I=-(U1I-I1I*

19、Z1);I22I=E1I/(ZZ2+ZZL);I2I=k*I22I;U22I=I22I*ZZL;U2I=U22I*ZZL;cospsi1=cos(angle(Zd);cospsi2=cos(angle(ZL);P1=abs(U1I)*abs(I1I)*cospsi1;P2=abs(U2I)*abs(I2I)*cospsi2;eta=P2/P1;ImI=E1I/Zm;pFe=abs(U1I)*abs(ImI)A2*rm;pCu1=abs(I1I)A2*r1;pCu2=abs(I2I)A2*r2;sprintf("一次电流=%d',abs(I1I)sprintf('二次电

20、流=%d',abs(I2I)sprintf('励磁电流=%d',abs(ImI)sprintf(,铁损耗=%d',pFe)sprintf(,一次侧铜损耗=%d',pCu1)sprintf(,二次侧铜损耗=%d',pCu2)输出结果:F.liUiiBmAcifriihfa.3型运行结果ans=一次电流=2.043558e+001ans=二次电流=3.353824e+001ans=励磁电流=1.203043e+000ans=铁损耗=1.649937e+004ans=一次侧铜损耗=5.846580e+001ans=二次侧铜损耗=3.936847e+00

21、13.4 使用Simulink建立仿真模型在MATLA歆件下建立Simulink建立仿真模型，Simulink/simpowersystems库中分别拖入线型变压器(lineartransformer)、单相电压源(ACvoltagesource)、电压测量(voltagemeasurement)>电流测量(currentmeasurement)>万用表(multimeter)、有效值(rms)计算、RLC串联支路(seriesRLCbranch)、数值显示(numericdisplayofinputvalues)等模块，进行连接，建立仿真模型。建立模型如下图:图3-4Simulink模型图4总结在做电机与拖动MATLA防真变压器负载运行课程设计前,我以为不会难做,就像以前做实验一样简单。直到彳完MATLA的真设计时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比，使我受益匪浅.在做课程设计前，一定要将课本上的知识吃透，因为这是做课程设计的基础，否则，在