變壓器負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)仿真課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)(論文)說明書題 目： 變壓器負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)仿真 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 盧倩 學(xué) 號(hào)： 1101230307 指導(dǎo)教師： 謝富珍 職 稱： 講師 2013 年 12月6 日目錄 1 引言.12 變壓器介紹.2 2.1變壓器分類. 2 2.2變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的效率特性.2 2.3變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過程.3 2.4負(fù)載運(yùn)行時(shí)的方程式.4 2.5變壓器繞組折算.5 2.6變壓器運(yùn)行等效電路.6 3 課題設(shè)計(jì)要求.9 3.1課程設(shè)計(jì)要求.9 3.2課程設(shè)計(jì)目標(biāo).9 3.3課程設(shè)計(jì)過程.10 3.3.1負(fù)載運(yùn)行T型等效電路模型圖.10 3.3.

2、2負(fù)載運(yùn)行計(jì)算基本原理.103.3.3利用matlab編程語言計(jì)算.12 3.4使用Simulink建立的仿真模型.15 4 總結(jié).16 5 參考文獻(xiàn).171 引言MATLAB是面向工程計(jì)算的高級(jí)交互式軟件，是一個(gè)可以完成各種計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、易學(xué)易理解的大眾化工具，MATLAB廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、物理、工程等各領(lǐng)域，MATLAB已成為世界各地高校最流行的用于科學(xué)和仿真的軟件。Simulink是MATLAB用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)建、仿真與分析的軟件包，在電氣工程中應(yīng)用非常廣泛。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)態(tài)系統(tǒng)建模、

3、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)，Simulink

4、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。變壓器的效率一般很高，電力變壓器可達(dá)95%以上。變壓器容量越大，效率越高，巨型電力變壓器可達(dá)99%以上，所以，用它來傳遞電能既方便又經(jīng)濟(jì)。在電能的傳輸過程中，總是把電壓提高，因?yàn)閭鬏斠欢ǖ碾姽β?，電壓越高，電流也就越小。這樣，既可以節(jié)省導(dǎo)線（因?yàn)榻孛娣e可以減?。┖推渌茉O(shè)費(fèi)用，又可以減少送電時(shí)導(dǎo)線上的損耗。 學(xué)會(huì)使用Simulink建立仿真模型。計(jì)算一、二次側(cè)的實(shí)際電流和勵(lì)磁電流。首先對(duì)題目進(jìn)行分析，其次進(jìn)行MATLAB程序設(shè)計(jì)并給出其程序清單，最后給出計(jì)算結(jié)果。第 16 頁2 變壓器2.1變壓器的分類，按負(fù)載導(dǎo)則變壓器分為

5、三類 a.配電變壓器。電壓在35kV及以下，三相額定容量在2500kVA及以下，單相額定容量在833kVA及以下，具有獨(dú)立繞組，自然循環(huán)冷卻的變壓器。 b.中型變壓器。三相額定容量不超過100MVA或每柱容量不超過33.3MVA，具有獨(dú)立繞組，且額定短路阻抗(Z)符合式(2)要求的變壓器 c.大型變壓器。三相額定容量100MVA以上，或其額定短路阻抗大于式(2)計(jì)算值的變壓器 。負(fù)載狀態(tài)的分類。d.正常周期性負(fù)載： 在周期性負(fù)載中，某段時(shí)間環(huán)境溫度較高，或超過額定電流，但可以由其它時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫度較低，或低于額定電流所補(bǔ)償。從熱老化的觀點(diǎn)出發(fā)，它與設(shè)計(jì)采用的環(huán)境溫度下施加額定負(fù)載是等效的。 e.

6、長期急救周期性負(fù)載： 要求變壓器長時(shí)間在環(huán)境溫度較高，或超過額定電流下運(yùn)行。這種運(yùn)行方式可能持續(xù)幾星期或幾個(gè)月，將導(dǎo)致變壓器的老化加速，但不直接危及絕緣的安全。 f.短期急救負(fù)載： 要求變壓器短時(shí)間大幅度超額定電流運(yùn)行。這種負(fù)載可能導(dǎo)致繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)到危險(xiǎn)的程度，使絕緣強(qiáng)度暫時(shí)下降。2.2變壓器負(fù)載運(yùn)行的效率特性 當(dāng)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其效率為輸出與輸入的有功功率之比，即 P2/P1=P2/(P2P）*100 式中：為二次側(cè)輸出的有功功率；為一次側(cè)輸入的有功功率；為變壓器的總損耗。引入負(fù)載系數(shù)，并忽略副邊端電壓在變壓器負(fù)載時(shí)的變化即，則三相變壓器的輸出功率為：P2=3U2nI2ncosSncos

7、 變壓器總的損耗包含有鐵耗和銅耗兩部分。因變壓器負(fù)載時(shí)和空載時(shí)鐵心中的主磁通基本不變，相應(yīng)地鐵耗也基本不變，故又把叫做不變損耗；而銅耗是電流經(jīng)一、二次側(cè)繞組的電阻上產(chǎn)生的有功損耗，銅耗與負(fù)載電流的平方成正比，故又把 叫做可變損耗。額定電流下的銅耗等于短路實(shí)驗(yàn)電流為額定值時(shí)輸入的有功功率，而負(fù)載不為額定值時(shí)，設(shè)忽略空載電流，則銅耗與負(fù)載系數(shù)的平方成正比。 效率特性曲線是一條具有最大值的曲線，最大值出現(xiàn)在的地方，即最大效率發(fā)生在鐵耗與銅耗相等的時(shí)侯，為方便起見，此時(shí)的負(fù)載系數(shù)記m 。一般電力變壓器帶的負(fù)載都不是恒定不變的，而有一定的波動(dòng)，因此變壓器就不可能一直運(yùn)行在額定負(fù)載的情況，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，一

8、般的 總小于。通常電力變壓器的最高效率發(fā)生在, 的條件下，中小型變壓器的效率約為，大型變壓器一般可達(dá)99以上?？赏ㄟ^變壓器負(fù)載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 2.3變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過程圖2-3 單相變壓器負(fù)載運(yùn)行圖變壓器二次繞組接負(fù)載ZL,二次繞組有電流2 流過，輸出 電壓22ZL ；電流2 建立二次磁動(dòng)勢(shì)22N2，作用在主磁路上，企圖改變主磁通 。電源電壓1不變時(shí)，主磁通基本不變。一次繞組的電流 必須相應(yīng)由 增大為1 ，一次磁動(dòng)勢(shì)也由0 增 大為11N1，以抵消二次磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁通的影響， 從而保持主磁通不變。1和2 除共同建立主磁通外，還分別產(chǎn)生交鏈各自繞組的漏 磁通1和2,并在一、二次繞組中感應(yīng)漏電

9、動(dòng)勢(shì) 1和2。1和2可以用漏抗壓降的形式來表示： 。x2稱為二次繞組的漏抗，與二次繞組漏磁通相對(duì)應(yīng)，為常量， 。一、二次繞組電流分別在一、二次繞組電阻上產(chǎn)生壓降1r1 和2r2. 變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)各物理量的關(guān)系總結(jié)如下：2.4變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的方程式磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式負(fù)載時(shí)建立主磁通的磁動(dòng)勢(shì)為1 和2 空載時(shí)建立主磁通的磁動(dòng)勢(shì)為0 空載到負(fù)載，主磁通基本不變 磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式 12 =0一、二次繞組的電流與其匝數(shù)成反比，變壓器變壓的同時(shí)也改變 了電流的大小。電動(dòng)勢(shì)平衡方程式根據(jù)基爾霍夫第二定律，參照?qǐng)D1.4.2-1所示參考正方向負(fù)載運(yùn)行時(shí)各物理量的關(guān)系，可得一、二次繞組的電 動(dòng)勢(shì)平衡方程式2.5

10、繞組折算變壓器一、二次繞組間只有磁耦合，沒有電聯(lián)系，分析、計(jì)算 很不方便。為得到一、二次繞組間有電聯(lián)系的等效電路，需要引入繞組折算的概念。在變壓器中，習(xí)慣把二次繞組折算到一次繞組，即用一個(gè)與一次繞組匝數(shù)相等的假想二次繞組代替實(shí)際的二次繞組，并在折算過程中滿足等效的原則。所謂等效是指折算部分折算前后對(duì)未折算部分作用相同，并且折算部分折算前后各物理量的關(guān)系和功率不變（包括有功功率和無功功率）。習(xí)慣用原物理量右上角加一撇 來表示折算后的物理量。下面根據(jù)折算的原則，導(dǎo)出二次繞組折算前后各物理量的關(guān)系。電流的折算若折算前后二次磁動(dòng)勢(shì)不變，則二次繞組對(duì)一次繞組的作用就不變，滿足折算的等效原則。二次繞組折算

11、到一次繞組，凡單位是伏特的物理量折算后的值等于折算前的值乘以變比k，凡單位是安培的物理量折算后的值等于折算前的值除以變比k，凡單位是歐姆的物理量折算后的值等于折算前的值乘以k*k 。2.6變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的等效電路 由折算后的基本方程式組可畫出變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的等效電路如圖1.4.5-1所示。圖中一次繞組漏阻抗、二次繞組漏阻抗 和激磁阻抗所在的三條支路呈T 字型,稱為T型等效電路。它是變壓器最基本的等效電路，能準(zhǔn)確反映變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系，但它是混聯(lián)電路，進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算比較麻煩。圖2-6-1 變壓器的T型等效電路一次繞組漏阻抗很小，通常將激磁支路移到一次繞組漏阻抗前， 得到如圖2-6-1所示的近似

12、等效電路。近似等效電路是并聯(lián)電路，可大大簡(jiǎn)化計(jì)算，常用來定量計(jì)算。圖2-6-2 變壓器的近似等效電路激磁電流很小，在T型等效電路中去掉激磁支路，可得更簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路，如圖2-6-2所示，稱為簡(jiǎn)化等效電路，常用來定性分析。圖2-6-3變壓器的簡(jiǎn)化等效電路圖2-6-3中， ，稱為短路電阻； ， 稱為短路電抗； ，稱為短路阻抗。短路阻抗為漏阻抗參數(shù)，數(shù)值較小且為常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫第二定律，參照?qǐng)D1.4.5-3簡(jiǎn)化等效電路所示的參 考正方向，可得與其相應(yīng)的電壓平衡方程式如下: 2.7負(fù)載運(yùn)行時(shí)的相量圖 不同的等效電路對(duì)應(yīng)不同的方程式組，因此有不同的相量圖。下面主要介紹T型等效電路和簡(jiǎn)化等效電路的相量圖

13、。T型等效電路的相量圖圖2-7 變壓器帶感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)的相量圖3課題設(shè)計(jì)要求3.1課程設(shè)計(jì)主要要求一次側(cè)加上額定頻率的額定電壓并保持不變，二次側(cè)負(fù)載阻抗。課程設(shè)計(jì)要求：（1）計(jì)算T形等效電路中的各參數(shù)？（筆算）并畫出其模型圖？（電腦繪圖）（2）在高壓側(cè)施加額定電壓時(shí),利用MATLAB軟件編程語言，結(jié)合變壓器的T形等效電路圖進(jìn)行計(jì)算一、二次側(cè)的實(shí)際電流和勵(lì)磁電流? 鐵損耗及銅損耗？（3）使用Simulink建立仿真模型，計(jì)算一、二次側(cè)的實(shí)際電流和勵(lì)磁電流?3.2課程設(shè)計(jì)目標(biāo)通過變壓器負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)仿真的課程設(shè)計(jì)，我們可以從中加深對(duì)變壓器的認(rèn)識(shí)，計(jì)算T形等效電路中的各參數(shù)，并畫出其模型圖，并在高壓側(cè)

14、施加額定電壓時(shí),利用MATLAB軟件編程語言，結(jié)合變壓器的T形等效電路圖進(jìn)行計(jì)算一、二次側(cè)的實(shí)際電流和勵(lì)磁電流，鐵損耗及銅損耗。并學(xué)會(huì)使用Simulink建立仿真模型。計(jì)算一、二次側(cè)的實(shí)際電流和勵(lì)磁電流。3.3課程設(shè)計(jì)過程3.3.1變壓器負(fù)載運(yùn)行T形等效電路模型圖圖3-3-1 T形等效電路模型圖3.3.2 變壓器負(fù)載運(yùn)行計(jì)算基本原理首先計(jì)算額定電流和變比I1N=SN/U1N I2N=SN/U2Nk=U1N/U2N計(jì)算T形等效電路中的未知參數(shù)Z1=R1+jX1R2=k2R2X2=k2X2Z2=R2+jX2ZL= k2ZLZm=Rm+jXm 輸入阻抗：Zd=Z1+1/1/Zm+1/(Z2+ZL)計(jì)

15、算電流和電壓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損耗Im=-E1/ZmIm=abs(Im)pFe=I2mRmpCu1=I21R1pCu2=I22R23.3.3利用MATLAB軟件編程語言計(jì)算 在高壓側(cè)施加額定電壓時(shí),利用MATLAB軟件編程語言，結(jié)合變壓器的T形等效電路圖進(jìn)行計(jì)算 。首先打開MATLAB軟件，在軟件下新建M文件，進(jìn)行編程。程序如下： SN=10e3; U1

16、N=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/Zd; E1I=-(U1I-I1I*Z1); I22I=E1I/(ZZ2+ZZL); I2I=k*I22I; U22I=I22I*ZZL; U

17、2I=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(一次電流=%d,abs(I1I) sprintf(二次電流=%d,abs(I2I) sprintf(勵(lì)磁電流=%d,abs(ImI) sprintf(鐵損耗=%d,pFe

18、) sprintf(一次側(cè)銅損耗=%d,pCu1) sprintf(二次側(cè)銅損耗=%d,pCu2)輸出結(jié)果：運(yùn)行結(jié)果ans =一次電流=2.043558e+001ans =二次電流=3.353824e+001ans =勵(lì)磁電流=1.203043e+000ans =鐵損耗=1.649937e+004ans =一次側(cè)銅損耗=5.846580e+001ans =二次側(cè)銅損耗=3.936847e+0013.4使用Simulink建立仿真模型在MATLAB軟件下建立Simulink建立仿真模型，Simulink/simpowersystems庫中分別拖入線型變壓器（linear transformer）

19、、單相電壓源（AC voltage source）、電壓測(cè)量（voltage measurement）、電流測(cè)量（current measurement）、萬用表（multimeter）、有效值（rms）計(jì)算、RLC串聯(lián)支路（series RLC branch）、數(shù)值顯示（numeric display of input values）等模塊，進(jìn)行連接，建立仿真模型。建立模型如下圖：圖3-4 Simulink模型圖4 總結(jié)在做電機(jī)與拖動(dòng)MATLAB仿真變壓器負(fù)載運(yùn)行課程設(shè)計(jì)前,我以為不會(huì)難做,就像以前做實(shí)驗(yàn)一樣簡(jiǎn)單。直到做完MATLAB仿真設(shè)計(jì)時(shí),我才知道其實(shí)并不容易做,但學(xué)到的知識(shí)與難度成正比,使我受益匪淺.在做課程設(shè)計(jì)前,一定要將課本上的知識(shí)吃透,因?yàn)檫@是做課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),否則,在老師講解時(shí)就會(huì)聽不懂,這將使你在做設(shè)計(jì)時(shí)的難度加大,浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。比如做電機(jī)接線的實(shí)驗(yàn),你要清楚接線電路圖,如果你不清楚,在做實(shí)驗(yàn)時(shí)才去摸索,這將使你極大地浪