揚(yáng)州大學(xué) MATLAB 課程設(shè)計(jì) 變壓器

1、揚(yáng)州大學(xué)專業(yè)軟件應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)報(bào)告 水能 學(xué)院 11 級(jí) 電氣 專業(yè)題目 變壓器綜合仿真設(shè)計(jì)一 學(xué)生 浦健 學(xué)號(hào) 111704222 指導(dǎo)教師 張建華 2014年 1 月 3日變壓器綜合仿真設(shè)計(jì)一摘要： 變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)設(shè)備的連續(xù)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的意義。在正常情況下，變壓器的勵(lì)磁電流通常不會(huì)超過變壓器額定電流的 。但當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除恢復(fù)供電時(shí)，變壓器一次繞組內(nèi)會(huì)產(chǎn)生數(shù)值極大的瞬態(tài)勵(lì)磁涌流，勵(lì)磁涌流一方面會(huì)導(dǎo)致繞組變形，減小變壓器的使用壽命；另一方面還會(huì)使變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作，此外勵(lì)磁涌流中包含的高次諧波以及直流分量，會(huì)降低電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，在一定條件下可能會(huì)引

2、起電力系統(tǒng)諧振，產(chǎn)生過電壓。目前對(duì)勵(lì)磁涌流的研究包括兩方面：一是如何有效抑制勵(lì)磁涌流；二是如何鑒別勵(lì)磁涌流與故障電流。但可以鑒別只表明差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作，并未減小變壓器的瞬態(tài)過渡過程對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及對(duì)繞組的損傷。未來的發(fā)展方向還是在于提出更好地抑制涌流產(chǎn)生的方法和策略，而這又離不開對(duì)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理及過程進(jìn)行正確的分析與測(cè)量。本文針對(duì)單相變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流的暫態(tài)特性進(jìn)行了建模和實(shí)驗(yàn)研究。本文主要介紹單相變壓器的基本工作原理并在此基礎(chǔ)上結(jié)合MATLAB軟件，通過仿真測(cè)試介紹單相線性、非線性單相變壓器的空載及合閘過程的特性。同時(shí)，本文也會(huì)在仿真過程中結(jié)合事例，講解運(yùn)用MATLAB及Simul

3、ink進(jìn)行電路仿真的基本知識(shí)。關(guān)鍵字：MATLAB；Simulink；單相變壓器；空載運(yùn)行1 引言設(shè)計(jì)背景設(shè)隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，電工電子新技術(shù)的不斷發(fā)展，新型電氣備不斷涌現(xiàn)，人們使用電的頻率越來越高，人與電的關(guān)系也日益緊密，對(duì)于電性能和電氣產(chǎn)品的了解，已成為人們必需的生活常識(shí)。變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它是利用電磁感應(yīng)原理把一種電壓的交流電能轉(zhuǎn)變成同頻率的另一種電壓的交流電能，以滿足不同負(fù)載的需要。在電力系統(tǒng)中，變壓器是一個(gè)重要的電氣設(shè)備，它對(duì)電能的經(jīng)濟(jì)傳輸，靈活分配和安全使用具有重要的作用，此外，也使人們能夠方便地解決輸電和用電這一矛盾。輸電線路將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負(fù)荷區(qū)后，

4、由于用電設(shè)備絕緣及安全的限制，必需經(jīng)過降壓變壓器將高電壓降低到適合于用電設(shè)備使用的低電壓。當(dāng)輸送一定功率的電能時(shí)，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線路的電阻上。為此需采用高壓輸電，即用升壓變壓器把電壓升高輸電電壓，這樣能經(jīng)濟(jì)的傳輸電能。它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達(dá)到數(shù)十萬千伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達(dá)幾十萬伏。如果按變壓器的用途來分類，幾種應(yīng)用最廣泛的變壓器為：電力變壓器、儀用互感器和其他特殊用途的變壓器；如果按相數(shù)可以分為單相和三相變壓器。不管如何進(jìn)行分類，其工作原理及性能都是一樣的。變壓器是通過電磁耦合關(guān)系傳遞電能的設(shè)備，用途可綜述為：經(jīng)濟(jì)的輸送電能、合理

5、的分配電能、安全的使用電能。實(shí)際上，它在變壓的同時(shí)還能改變電流，還可改變阻抗和相數(shù)。小型變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡(jiǎn)單的小型單相變壓器由一個(gè)閉合的鐵芯(構(gòu)成磁路)和繞在鐵芯上的兩個(gè)匝數(shù)不同、彼此絕緣的繞組(構(gòu)成電路)構(gòu)成。這類變壓器在生活中的應(yīng)用非常廣泛。設(shè)計(jì)目的：掌握SIMULINK仿真環(huán)境常用模塊庫和電力系統(tǒng)模塊庫；對(duì)變壓器運(yùn)行進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)；了解變壓器空載特性、合閘及副邊短路過程中變壓器內(nèi)部工作特性。2 設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運(yùn)行條件下，主要技術(shù)數(shù)據(jù)一般都都標(biāo)注在變壓器的銘牌上。主要包括：額定容量、額定電壓及其分接、額定頻率、繞組聯(lián)結(jié)組以及額定性能數(shù)據(jù)（

6、阻抗電壓、空載電流、空載損耗和負(fù)載損耗）和總重。 A、額定容量（kVA）：額定電壓.額定電流下連續(xù)運(yùn)行時(shí),能輸送的容量。 B、額定電壓（kV）：變壓器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)所能承受的工作電壓.為適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化的需要,變壓器高壓側(cè)都有分接抽頭,通過調(diào)整高壓繞組匝數(shù)來調(diào)節(jié)低壓側(cè)輸出電壓. C、額定電流(A):變壓器在額定容量下,允許長(zhǎng)期通過的電流. D、空載損耗（kW）: 當(dāng)以額定頻率的額定電壓施加在一個(gè)繞組的端子上，其余繞組開路時(shí)所吸取的有功功率。與鐵心硅鋼片性能及制造工藝、和施加的電壓有關(guān). E、空載電流（%）: 當(dāng)變壓器在額定電壓下二次側(cè)空載時(shí),一次繞組中通過的電流.一般以額定電流的百分?jǐn)?shù)表示. F

7、、負(fù)載損耗（kW）: 把變壓器的二次繞組短路,在一次繞組額定分接位置上通入額定電流,此時(shí)變壓器所消耗的功率. G、阻抗電壓（%）：把變壓器的二次繞組短路,在一次繞組慢慢升高電壓,當(dāng)二次繞組的短路電流等于額定值時(shí),此時(shí)一次側(cè)所施加的電壓.一般以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示. H、相數(shù)和頻率：三相開頭以S表示，單相開頭以D表示。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)頻率f為50Hz。國(guó)外有60Hz的國(guó)家（如美國(guó)）。 I、溫升與冷卻：變壓器繞組或上層油溫與變壓器周圍環(huán)境的溫度之差,稱為繞組或上層油面的溫升.油浸式變壓器繞組溫升限值為65K、油面溫升為55K。冷卻方式也有多種：油浸自冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷，水冷，管式、片式等。 J、絕緣水平：有

8、絕緣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。絕緣水平的表示方法舉例如下：高壓額定電壓為35kV級(jí)，低壓額定電壓為10kV級(jí)的變壓器絕緣水平表示為 LI200AC85/LI75AC35，其中LI200表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為200kV，工頻耐受電壓為85kV，低壓雷電沖擊耐受電壓為75kV，工頻耐受電壓為35kV.奧克斯高科技有限公司目前的油浸變壓器產(chǎn)品的絕緣水平為L(zhǎng)I75AC35，表示變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為75kV，工頻耐受電壓為35kV，因?yàn)榈蛪菏?00V，可以不考慮。 K、聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：根據(jù)變壓器一.二次繞組的相位關(guān)系,把變壓器繞組連接成各種不同的組合,稱為繞組的聯(lián)結(jié)組。為了區(qū)別不同的聯(lián)結(jié)組,常采用時(shí)鐘表

9、示法,即把高壓側(cè)線電壓的相量作為時(shí)鐘的長(zhǎng)針,固定在12上,低壓側(cè)線電壓的相量作為時(shí)鐘的短針,看短針指在哪一個(gè)數(shù)字上,就作為該聯(lián)結(jié)組的標(biāo)號(hào).如Dyn11表示一次繞組是（三角形）聯(lián)結(jié)，二次繞組是帶有中心點(diǎn)的（星形）聯(lián)結(jié)，組號(hào)為(11)點(diǎn)。2.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算

10、的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言

11、完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 其主要功能有：數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程等MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印

12、。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。MATLA

13、B對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。MATLAB包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包。工具包又可以分為功能性

14、工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。常見工具包Matlab Main Toolboxmatlab主工具箱Control System Toolbox控制系統(tǒng)工具箱Communication Toolbox通訊工具箱Financial Toolbox財(cái)政金融工具箱System Id

15、entification Toolbox系統(tǒng)辨識(shí)工具箱Fuzzy Logic Toolbox模糊邏輯工具箱Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高階譜分析工具箱Image Processing Toolbox圖象處理工具箱computer vision system toolbox-計(jì)算機(jī)視覺工具箱LMI Control Toolbox線性矩陣不等式工具箱Model predictive Control Toolbox模型預(yù)測(cè)控制工具箱-Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱Neural Network Toolbox神經(jīng)網(wǎng)

16、絡(luò)工具箱Optimization Toolbox優(yōu)化工具箱Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱Robust Control Toolbox魯棒控制工具箱Signal Processing Toolbox信號(hào)處理工具箱Spline Toolbox樣條工具箱Statistics Toolbox統(tǒng)計(jì)工具箱Symbolic Math Toolbox符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱Simulink Toolbox動(dòng)態(tài)仿真工具箱Wavele Toolbox小波工具箱DSP system toolbox-DSP處理工具箱Simulink此次課程設(shè)計(jì)過程中我們主要運(yùn)用到的Simulink是M

17、atlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)

18、態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Si

19、mulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。主要特點(diǎn)：豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生

20、成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤Simulink組件中包括了連續(xù)模塊（continuous）塊、非連續(xù)模塊（

21、Discontinuous）、離散模塊（Discrete）、邏輯和位操作模塊（Logic and Bit Operation）、查找表模塊（Lookup Table）、數(shù)學(xué)模塊（Math Operations）、模型檢測(cè)模塊（Model Verification）、模型擴(kuò)充模塊（Model-Wide Utilities）、端口和子系統(tǒng)模塊（Prot & Subsystems）、信號(hào)屬性模塊（Signal Attributes）、信號(hào)路線模塊（Signal Routing）、接收

22、器模塊（Sinks）輸入源模塊（Sources）、用戶自定義函數(shù)模塊（User-Defined Functions）等模塊。Simpowersystems課程設(shè)計(jì)過程中我們用到的另一個(gè)主要的模塊是simpowersystems模塊。它是在Simulink環(huán)境下進(jìn)行電力電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。SimPowerSystems中模塊的數(shù)學(xué)模型基于成熟的電磁和機(jī)電方程，用標(biāo)準(zhǔn)的電氣符號(hào)表示。它在發(fā)電輸變電系統(tǒng)和電力分配計(jì)算方面提供了強(qiáng)有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為突出。對(duì)于具有復(fù)雜自給型供電裝置，如汽車、飛機(jī)、制造設(shè)備上的電氣系統(tǒng)和普通用電裝置而言，用

23、SimPowerSystems進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)非常理想。 SimPowerSystems是Simulink的一個(gè)專用模塊集，由電氣仿真專家TEQSIMInternational最初開發(fā)。該模塊集包含電氣網(wǎng)絡(luò)中常見的元器件和設(shè)備，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述。模型可與其它Simulink模塊相連接，進(jìn)行一體化的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)分析主要特點(diǎn)：使用標(biāo)準(zhǔn)電氣符號(hào)進(jìn)行電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D形建模和仿真為建立詳細(xì)的電力系統(tǒng)模型提供了廣泛全面的模塊庫標(biāo)準(zhǔn)的AC和DC電機(jī)模型模塊、變壓器、傳輸線、信號(hào)和脈沖發(fā)生器、HVDC控制、IGBT模塊和大量設(shè)備模型，有斷路器、二極管、IGBT、GTO、MOSFET和晶閘

24、管等電力電子器件使用功能強(qiáng)大的Simulink變步長(zhǎng)積分器和過零檢測(cè)功能，給出高度精確的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果為快速仿真和實(shí)時(shí)仿真提供了離散化和信息矢量化方法提供多種分析方法，可以計(jì)算電路的狀態(tài)空間表達(dá)、電流和電壓的穩(wěn)態(tài)解 提供了擴(kuò)展的電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊，如電力機(jī)械，功率電子元件，控制測(cè)量模塊和三相元器件。SimPowerSystems擁有130多個(gè)模塊，分別位于6個(gè)子模塊庫中。用戶可以同標(biāo)準(zhǔn)的Simulink模塊一起使用建立包含電氣系統(tǒng)和控制回路的模型，附加的測(cè)量模塊可以對(duì)電路進(jìn)行傅立葉分析和三相序列分析。SimPowerSystems模塊庫包含下列6個(gè)子模塊庫: 電源 包括AC和DC電壓源

25、，受控電壓源和受控電流源。 電流回路元器件包含RLC支路和負(fù)載、線性和飽和變壓器、電路分離器、傳輸線模型電力機(jī)械 包含完整或簡(jiǎn)化形式的異步電機(jī)，同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)，直流電機(jī)，激磁系統(tǒng)和水力和蒸氣渦輪-調(diào)速系統(tǒng)模型電子元器件 包括二極管，簡(jiǎn)化/復(fù)雜晶閘管，GTO，開關(guān)，MOSFET，IGBT和通用型橋接管模型控制和測(cè)量模塊 包括電壓、電流和電抗測(cè)量，RMS測(cè)量，有效和無功功率計(jì)算，計(jì)時(shí)器，萬用表，傅立葉分析，HVDC控制，總諧波失真，abc到dq0和dq0到abc軸系變換，三相V-I測(cè)量，三相脈沖和信號(hào)發(fā)生，三相序列分析，三相PLL和連續(xù)/離散同步6-，12-脈沖發(fā)生器三相網(wǎng)絡(luò)元器件 三相R

26、LC負(fù)載和支路，斷路器和故障點(diǎn)，三相電抗，型傳輸線，電壓源，6-脈沖二極管和晶閘橋管，整流二極管，Y-/Y-/Y-/Y-Y-可配置三相變壓器，分析器和測(cè)量。由于SimPowerSystems是與MATLAB無逢結(jié)合在一起的，用戶可以充分利用MATLAB表達(dá)式，工作空間中的變量以及MATLAB的腳本文件，以簡(jiǎn)化復(fù)雜的仿真計(jì)算。利用 SimPowerSystems，用戶可以修改系統(tǒng)的初始狀態(tài)以便可以從任意的初始條件進(jìn)行仿真。圖形用戶界面能夠顯示測(cè)量的電流值和電壓值以及所有的狀態(tài)變量（電感電流和電容電壓）。 2.2 設(shè)計(jì)思想變壓器的損耗是變壓器的重要性能參數(shù)，一方面表示變壓器在運(yùn)行過程中的效率，另一

27、方面表明變壓器在設(shè)計(jì)制造的性能是否滿足要求。變壓器空載損耗和空載電流測(cè)量、負(fù)載損耗和短路阻抗測(cè)量都是變壓器的例行試驗(yàn)。變壓器的空載試驗(yàn)就是從變壓器任一組線圈施加額定電壓，其它線圈開路的情況下，測(cè)量變壓器的空載損耗和空載電流?？蛰d電流用它與額定電流的百分?jǐn)?shù)表示進(jìn)行空載試驗(yàn)的目的是：測(cè)量變壓器的空載損耗和空載電流；驗(yàn)證變壓器鐵心的設(shè)計(jì)計(jì)算、工藝制造是否滿足技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)的要求；檢查變壓器鐵心是否存在缺陷，如局部過熱，局部絕緣不良等。變壓器的短路試驗(yàn)就是將變壓器的一組線圈短路，在另一線圈加上額定頻率的交流電壓使變壓器線圈內(nèi)的電流為額定值，此時(shí)所測(cè)得的損耗為短路損耗，所加的電壓為短路電壓，短路電壓是以

28、被加電壓線圈的額定電壓百分?jǐn)?shù)表示的，此時(shí)求得的阻抗為短路阻抗，同樣以被加壓線圈的額定阻抗百分?jǐn)?shù)表示，變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)和短路阻抗百分?jǐn)?shù)是相等的，并且其有功分量和無功分量也對(duì)應(yīng)相等。進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)的目的是：計(jì)算和確定變壓器有無可能與其它變壓器并聯(lián)運(yùn)行；計(jì)算和試驗(yàn)變壓器短路時(shí)的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定；計(jì)算變壓器的效率；計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓由于負(fù)載改變而產(chǎn)生的變化。試驗(yàn)要求和注意事項(xiàng) 試驗(yàn)電壓一般應(yīng)為額定頻率、正弦波形，并使用一定準(zhǔn)確等級(jí)的儀表和互感器。如果施加電壓的線圈有分接，則應(yīng)在額定分接位置。 試驗(yàn)中所有接入系統(tǒng)的一次設(shè)備都要按要求試驗(yàn)合格，設(shè)備外殼和二次回路應(yīng)可靠接地，與試驗(yàn)有關(guān)的保護(hù)應(yīng)投入，保護(hù)

29、的動(dòng)作電流與時(shí)間要進(jìn)行校核。三相變壓器，當(dāng)試驗(yàn)用電源有足夠容量，在試驗(yàn)過程中保持電壓穩(wěn)定。并為實(shí)際上的三相對(duì)稱正弦波形時(shí)，其電流和電壓的數(shù)值，應(yīng)以三相儀表的平均值為準(zhǔn)。 聯(lián)結(jié)短路用的導(dǎo)線必須有足夠的截面，并盡可能的短，連接處接觸良好。變壓器綜合仿真設(shè)計(jì)空載運(yùn)行空載合閘副邊突然短路2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖或流程圖 圖1變圖1壓器綜合仿真設(shè)計(jì)方框圖仿真調(diào)試設(shè)計(jì)仿真模型搭建仿真電路設(shè)置仿真參數(shù)波形數(shù)據(jù)是否理想觀察分析數(shù)據(jù) 圖2變壓器綜合仿真設(shè)計(jì)流程圖 N Y 2.4各模塊功能簡(jiǎn)介 圖3常用simulink模塊Out提供一個(gè)輸出Scope示波器AC Voltage Source正弦交流電壓源Current

30、 Measurement用于檢測(cè)電路電流大小，使用時(shí)串聯(lián)在電路中Voltage Measurement用于檢測(cè)電路電壓大小，使用時(shí)并聯(lián)在電路中Powergui超級(jí)人機(jī)交互模塊Saturable Transformer飽和單相變壓器Linear Transformer線性單相變壓器 表1 常用simulink模塊功能3 軟件調(diào)試分析3.1單相變壓器空載運(yùn)行 仿真電路圖 圖3單相變壓器空載運(yùn)行仿真電路圖 數(shù)據(jù)波形圖 圖4但想變壓器空載電流波形圖 實(shí)驗(yàn)步驟 1）按照?qǐng)D3 在simulink中搭建并連接電路 2）設(shè)置仿真時(shí)間0.2秒，執(zhí)行仿真 3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,

31、yout) 4）觀測(cè)輸出波形是否滿足預(yù)期要求，若不滿足，則重復(fù)步驟2），若滿足則記錄波形 理論分析在外加電壓為正弦規(guī)律變化時(shí)，原邊電流將畸變?yōu)榧忭敳ㄖ饕且驗(yàn)橛袆?lì)磁涌流的原因，當(dāng)合上斷路器給變壓器充電時(shí)，也就是空載運(yùn)行的時(shí)候，開始的時(shí)候可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個(gè)沖擊電流通常稱之為勵(lì)磁涌流，特點(diǎn)如下：1)涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。2)勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)0.51s后其值不超過(0.250.5)In

32、。3)一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但總的趨勢(shì)是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。4)勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，最大可達(dá)額定電流的810倍。當(dāng)整定一臺(tái)斷路器控制一臺(tái)變壓器時(shí)，其速斷可按變壓器勵(lì)磁電流來整定。3.2單相變壓器空載合閘 仿真電路圖 圖5單相變壓器空載合閘主電路圖 圖6單相變壓器空載合閘測(cè)輸入端電流電路圖 圖7單相變壓器空載合閘測(cè)輸出端電壓電路圖 圖8單相變壓器空載合閘測(cè)電路主磁通 數(shù)據(jù)波形圖 圖9單相變壓器空載合閘輸入電流波形圖 圖10單相變壓器空載合閘輸出端電壓波形圖 圖11單相變壓器空載合閘鐵芯內(nèi)主磁通波形圖 實(shí)驗(yàn)步驟1）按照?qǐng)D3 在simulink中搭建并連

33、接電路2）設(shè)置仿真時(shí)間0.2秒，執(zhí)行仿真3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,yout)4）觀測(cè)輸出波形是否滿足預(yù)期要求，若不滿足，則重復(fù)步驟2），若滿足則記錄波形 理論分析 所謂的空載合閘就是在變壓器二次側(cè)不帶負(fù)載的情況下，將一次側(cè)合閘接入額定電壓。如果變壓器一次側(cè)合閘瞬間正好是電壓過零時(shí)，由于變壓器鐵芯中的磁通相位落后電壓90度，所以此時(shí)鐵芯中的磁通為最大，但是磁通是不能突變的，所以鐵芯中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向相反隨時(shí)間衰減速的直流磁通來抵消這個(gè)最大值，經(jīng)過半個(gè)周期后，這個(gè)直流磁通又與交流磁通方向相同，二者相加，就使得鐵芯飽和，就會(huì)產(chǎn)生很大的激磁涌流。經(jīng)過若干個(gè)周期以后，直流磁

34、通完全衰竭，鐵芯中就是正常工作的額定交流磁通了。3.3單相變壓器副邊突然短路 仿真電路圖 圖12副邊突然短路測(cè)原邊電流電路圖 圖13副邊突然短路測(cè)副邊電流電路圖數(shù)據(jù)波形圖 波形數(shù)據(jù) 圖14 副邊突然短路原邊電流波形圖 圖15 副邊突然短路副邊電流波形圖 實(shí)驗(yàn)步驟 1）按照?qǐng)D3 在simulink中搭建并連接電路 2）設(shè)置仿真時(shí)間0.2秒，執(zhí)行仿真 3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,yout) 4）觀測(cè)輸出波形是否滿足預(yù)期要求，若不滿足，則重復(fù)步驟2），若滿足則記錄波形4 結(jié)語 變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止電器，用于把低電壓變成高電壓或把高電壓變成低電壓，是交流

35、電輸配系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。當(dāng)變壓器合閘時(shí)，可能產(chǎn)生很大的電流。當(dāng)合上斷路器給變壓器充電時(shí)，有時(shí)可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載勵(lì)磁電流值，這個(gè)沖擊電流通常稱之為勵(lì)磁涌流。變壓器勵(lì)磁電流的大小取決于勵(lì)磁電感L。的數(shù)值，也就取決于變壓器鐵芯是否飽和，正常運(yùn)行和外部故障時(shí)變壓器不會(huì)飽和，勵(lì)磁電流一般不會(huì)超過額定電流的2 oA5，對(duì)變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)的影響常常略去不計(jì)。當(dāng)變壓器空載投入或者外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，變壓器電壓從零或很小的值突然上升到運(yùn)行電壓。在這個(gè)電壓上升的暫態(tài)過程中，變壓器可能會(huì)嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵(lì)磁電流。這個(gè)暫態(tài)勵(lì)磁電流就是勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的最

36、大值可以達(dá)到額定電流的48倍，并與變壓器的額定容量有關(guān)。 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn) 1)涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。 2)勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)。飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)051 s后其值不超過(025-，05)iN。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但總的趨勢(shì)是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。 3)勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，最大可達(dá)額定電流的810倍。 4)波形完全偏離時(shí)間軸的一側(cè)，并且出現(xiàn)間斷。涌流越大，間斷角越小。 5)含有很大成分的非周期分量，間斷角越小，非

37、周期分量越大。 6)變壓器空載合閘時(shí)，涌流是否產(chǎn)生以及涌流大小跟很多因素有關(guān)，主要受到變壓器鐵芯剩磁、合閘角的影響 目前，在勵(lì)磁涌流的數(shù)值仿真方面，主要集中在以下集中比較成熟的方法上：使用變壓器鐵芯的基本磁化曲線進(jìn)行擬合，即不考慮變壓器在重新合閘后，變壓器鐵芯中的磁滯現(xiàn)象對(duì)勵(lì)磁涌流的影響。還有就是借助變壓器的磁滯模型，但仍然借用變壓器鐵芯的基本磁化曲線進(jìn)行擬合計(jì)算口。同時(shí)，有的文獻(xiàn)提出可以在變壓器基本磁化曲線的基礎(chǔ)上，進(jìn)過適當(dāng)?shù)男拚?，同樣可以反映變壓器的磁滯特性。雖然上述方法都已經(jīng)比較成熟，但是通過實(shí)際檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各種數(shù)值算法對(duì)初始值的依賴性很大，如果初始數(shù)據(jù)不合適，很有可能在程序中出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚

38、至可能計(jì)算出來的結(jié)果是發(fā)散的，而導(dǎo)致程序陷入死循環(huán)。其實(shí)，更多的文獻(xiàn)集中在對(duì)依托諸如Matlab等強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)涌流進(jìn)行計(jì)算，充分利用了Matlab的模塊化優(yōu)勢(shì)。同時(shí)有的文獻(xiàn)分析了變壓器勵(lì)磁涌流的衰減機(jī)理，根據(jù)變壓器等效電路，推導(dǎo)出衰減勵(lì)磁涌流的遞歸計(jì)算方法。通過曲線擬合的方法，提出了涌流幅值和間斷角隨時(shí)間變化的實(shí)用計(jì)算公式，為變壓器差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)的原理研究、整定計(jì)算提供了分析計(jì)算的工具口。其實(shí)，過去研究者對(duì)勵(lì)磁涌流的計(jì)算分析都是著眼于更加精確的計(jì)算，從而為繼電保護(hù)的正確精確整定奠定基礎(chǔ)。但是實(shí)際上，變壓器空載合閘的失敗率還是相當(dāng)高，完全可以另辟蹊徑，只要對(duì)勵(lì)磁涌流的基本特征進(jìn)行分析，

39、然后尋找突破口，最終抑制掉涌流，可能是一條更有前途的道路。4.1 結(jié)論與討論這次的課程設(shè)計(jì)我們組的課題是變壓器仿真設(shè)計(jì)一，一共進(jìn)行了三個(gè)變壓器的模擬仿真：第一個(gè)是單相變壓器的空載運(yùn)行仿真。單相變壓器空載運(yùn)行時(shí)，原邊電流主要用來產(chǎn)生主磁場(chǎng)，而電路損耗和鐵芯損耗很小，因此即使外加電壓很大，空載電流仍然很小。由于鐵磁材料的非線性，在外加電壓為正弦規(guī)律變化時(shí)，原邊電流將畸變?yōu)榧忭敳?。第二個(gè)是單相變壓器的副邊突然短路仿真實(shí)驗(yàn)。變壓器副邊突然短路時(shí)，原副邊電流將瞬間大幅度增加。然后隨過渡過程的進(jìn)行逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。這是因?yàn)楫?dāng)變壓器副邊短路時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高于額定電流2O3O倍的短路電流。根據(jù)磁勢(shì)平衡式可知，副邊電流是與原邊電流反相的，副邊電