变压器负载运行状态仿真课程设计

1、 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： 卢倩 学 号： 1101230307 指导教师： 谢富珍 职 称： 讲师 2013 年 12月6 日16 / 20目录 1 引言.12 变压器介绍.2 2.1变压器分类. 2 2.2变压器负载运行时的效率特性.2 2.3变压器负载运行时的电磁过程.3 2.4负载运行时的方程式.4 2.5变压器绕组折算.5 2.6变压器运行等效电路.6 3 课题设计要求.9 3.1课程设计要求.9 3.2课程设计目标.9 3.3课程设计过程.10 3.3.1负载运行T型等效电路模型图.

2、10 3.3.2负载运行计算基本原理.103.3.3利用matlab编程语言计算.12 3.4使用Simulink建立的仿真模型.15 4 总结.16 5 参考文献.171 引言MATLAB是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，MATLAB广泛应用于数学、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用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MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现

3、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，S

4、imulink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。变压器的效率一般很高，电力变压器可达95%以上。变压器容量越大，效率越高，巨型电力变压器可达99%以上，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程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

5、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100MVA或每柱容量不超过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100MVA以上，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

6、.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 P2/P1=P2/(P2P）*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=3U2nI2ncosSnco

7、s 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m 。一般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，

8、一般的 总小于。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，大型变压器一般可达99以上。可通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22ZL ；电流2 建立二次磁动势22N2，作用在主磁路上，企图改变主磁通 。电源电压1不变时，主磁通基本不变。一次绕组的电流 必须相应由 增大为1 ，一次磁动势也由0 增 大为11N1，以抵消二次磁动势对主磁通的影响， 从而保持主磁通不变。1和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1和2,并在一、二次绕组中感应漏

9、电动势 1和2。1和2可以用漏抗压降的形式来表示： 。x2称为二次绕组的漏抗，与二次绕组漏磁通相对应，为常量， 。一、二次绕组电流分别在一、二次绕组电阻上产生压降1r1 和2r2. 变压器负载运行时各物理量的关系总结如下：2.4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1 和2 空载时建立主磁通的磁动势为0 空载到负载，主磁通基本不变 磁动势平衡方程式 12 =0一、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2.

10、5绕组折算变压器一、二次绕组间只有磁耦合，没有电了解，分析、计算 很不方便。为得到一、二次绕组间有电了解的等效电路，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"'" 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

11、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。二次绕组折算到一次绕组，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 。2.6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1.4.5-1所示。图中一次绕组漏阻抗、二次绕组漏阻抗 和激磁阻抗所在的三条支路呈"T" 字型,称为T型等效电路。它是变压器最基本的等效电路，能准确反映变压器内部电磁关系，但它是混联电路，进行复数运

12、算比较麻烦。图2-6-1 变压器的T型等效电路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， ，称为短路电阻； ， 称为短路电抗； ，称为短路阻抗。短路阻抗为漏阻抗参数，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

13、下: 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图2-7 变压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：（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MATLAB软件编程语言，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

14、?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形等效电路中的各参数，并画出其模型图，并在高压侧施加额定电压时,利用MATLAB软件编程语言，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形等效电路模型图图3-3-1 T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/U1N I2N=SN/U2Nk=U1N/U2N计算T形等效电路中的未知参数Z1=R1+

15、jX1R2=k2R2X2=k2X2Z2=R2+jX2ZL= k2ZLZm=Rm+jXm 输入阻抗：Zd=Z1+1/1/Zm+1/(Z2+ZL)计算电流和电压I1=U1/Zd-E1=U-I1Z1-I2=-E1/(Z2+ZL)I2=kI2U2=I2ZLU2=U2/k功率因素、功率和效率cos1=cos(angle(Zd)cos2=cos(angle(ZL)P1=U1I1 cos1P2=U2I2 cos1= P1/ P2损耗Im=-E1/ZmIm=abs(Im)pFe=I2mRmpCu1=I21R1pCu2=I22R23.3.3利用MATLAB软件编程语言计算 在高压侧施加额定电压时,利用MATLA

16、B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软件，在软件下新建M文件，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=k2*r2;xx2=k2*x2; ZZ2=rr2+j*xx2; ZZL=k2*ZL; Zm=rm+j*xm; Zd=Z1+1/(1/Zm+1/(ZZ2+ZZL); U1I=U1N; I1I=U1I

17、/Zd; E1I=-(U1I-I1I*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)2*rm; pCu1=abs(I1I)2*r1; pCu2=abs(I2I)2*r2; sprintf('一次电流=%d&

18、#39;,abs(I1I) sprintf('二次电流=%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：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=5.84658

19、0e+001ans =二次侧铜损耗=3.936847e+0013.4使用Simulink建立仿真模型在MATLAB软件下建立Simulink建立仿真模型，Simulink/simpowersystems库中分别拖入线型变压器（linear transformer）、单相电压源（AC voltage source）、电压测量（voltage measurement）、电流测量（current measurement）、万用表（multimeter）、有效值（rms）计算、RLC串联支路（series RLC branch）、数值显示（numeric display of input values）等模块，进行连接，建立仿真模型。建立模型如下图：图3-4 Simulink模型图4 总结在做电机与拖动MATLAB仿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。直到做完MATLAB仿真设计时,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,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做设计时的难度加大,浪费宝贵的时间。比如做电机接线的实验,你要清楚接线电路图,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半。做实验时,一定要亲力亲为