三相變壓器空載合閘的Matlab仿真教學(xué)

張代潤(rùn) 劉紅萍

[摘 要] 將Matlab的Simulink仿真環(huán)境的多物理仿真技術(shù)應(yīng)用于三相變壓器空載合閘的電機(jī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)三相變壓器空載合閘的仿真實(shí)例，生動(dòng)呈現(xiàn)了三相變壓器各相電壓、電流、繞組磁動(dòng)勢(shì)、總磁動(dòng)勢(shì)和磁通量的波形變化趨勢(shì)，提供了一種電機(jī)學(xué)理論形象化、直觀化的教學(xué)手段，尤其是在變壓器實(shí)驗(yàn)中難以觀察到的磁動(dòng)勢(shì)、磁通量的變化波形，有利于深化學(xué)生對(duì)變壓器理論的理解。

[關(guān)鍵詞] 變壓器;空載合閘;Matlab仿真;電機(jī)教學(xué)

[作者簡(jiǎn)介] 張代潤(rùn)（1965—），男，四川廣漢人，俄羅斯副博士（Ph.D.），四川大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，主要從事電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微? ? ? 機(jī)原理與接口技術(shù)等理論與教學(xué)研究;劉紅萍（1969—），女，四川蓬溪人，學(xué)士，四川大學(xué)電氣工程學(xué)院工程師，主要從事本? ? ? 科學(xué)籍管理研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）34-0360-05 ? ?[收稿日期] 2019-09-20

一、三相變壓器的Matlab模型

圖1是本文利用磁路Simscape元件構(gòu)造的三相變壓器仿真模型。

二、三相變壓器的空載合閘仿真

圖1為三相變壓器空載合閘的仿真原理圖，包括組式、三柱芯式兩種模型。變壓器一次側(cè)接有效值為220V、頻率為50Hz的正弦電壓源，其中A、B、C相的初始相位分別為0°、-120°、+120°;一次繞組匝數(shù)為1000匝、電阻值為3Ω、漏磁阻為102H-1，二次繞組為500匝、電阻值為0.75Ω、漏磁阻為102H-1;磁路長(zhǎng)度為0.2m，磁路截面積為6×10-4m2，B-H曲線參數(shù)為默認(rèn)值;渦流元件參數(shù)為默認(rèn)值;負(fù)載為12.1Ω，并在0.1s時(shí)接入變壓器二次側(cè)。

圖2為三相變壓器組（如圖1（a）所示）的空載合閘時(shí)的電壓、電流仿真波形圖。由圖2可知，三相變壓器組在空載合閘時(shí)，每一相都有較大的空載合閘涌流，其中A相的空載合閘電流峰值為最大;二次側(cè)電壓波形在開(kāi)始時(shí)有較明顯的畸變，在加載后其值有所降低，且B、C相二次側(cè)電壓在加載時(shí)有沖擊。一次和二次側(cè)電壓電流是反相的，這可以通過(guò)交換Winding2的極性來(lái)改變。

圖3為圖1（a）空載合閘仿真的繞組磁動(dòng)勢(shì)、總磁動(dòng)勢(shì)、磁通量的波形。由圖3可見(jiàn)，在空載合閘時(shí)，一次繞組磁動(dòng)勢(shì)和總磁動(dòng)勢(shì)有較大沖擊，各相磁通量波形也有較明顯的飽和現(xiàn)象;在0.1～0.2s間，各相磁通量基本為正弦對(duì)稱的，雖然這時(shí)各相的總磁動(dòng)勢(shì)還并非完全對(duì)稱（見(jiàn)圖中局部放大部分）。但從趨勢(shì)上看，各相的總磁動(dòng)勢(shì)將逐漸趨向于對(duì)稱。

圖4為三柱芯式三相變壓器（如圖1（b）所示）的空載合閘時(shí)的電壓、電流仿真波形圖。由圖4可知，三柱芯式三相變壓器在空載合閘時(shí)，每一相也都有較大的空載合閘涌流，其中A相的空載合閘電流峰值為最大，與三相變壓器組的合閘涌流相比較其電流脈沖持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)些但幅度要略小，且B、C相的合閘涌流中出現(xiàn)了反向脈沖電流;二次側(cè)電壓波形在開(kāi)始時(shí)有較明顯的畸變，在加載后其值有所降低，且B、C相二次側(cè)電壓在加載時(shí)有沖擊。

圖5為圖1（b）空載合閘仿真的繞組磁動(dòng)勢(shì)、總磁動(dòng)勢(shì)、磁通量的波形。由圖5可見(jiàn)，在空載合閘時(shí)，一次繞組磁動(dòng)勢(shì)和總磁動(dòng)勢(shì)有較大沖擊，各相磁通量波形也有較明顯的飽和現(xiàn)象;在0.1～0.2s間，各相磁通量基本為正弦對(duì)稱的，雖然這時(shí)各相的總磁動(dòng)勢(shì)并非完全對(duì)稱的（見(jiàn)圖中局部放大部分）。但從趨勢(shì)上看，各相的總磁動(dòng)勢(shì)將逐漸趨向于對(duì)稱。由于各相磁路上的相互關(guān)聯(lián)，三柱芯式三相變壓器帶對(duì)稱負(fù)載時(shí)的各相總磁動(dòng)勢(shì)波形與三相變壓器組的是有明顯不同的（見(jiàn)圖3和圖5中局部放大部分）。

三、結(jié)語(yǔ)

本文將Matlab的Simulink仿真環(huán)境的多物理（Simscape）仿真技術(shù)應(yīng)用于三相變壓器空載合閘的電機(jī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)三相變壓器空載合閘（含組式、三柱芯式兩種模型）的仿真實(shí)例，生動(dòng)呈現(xiàn)了三相變壓器各相電壓、電流、各繞組磁動(dòng)勢(shì)、總磁動(dòng)勢(shì)和磁通量的波形變化趨勢(shì)，提供了一種電機(jī)學(xué)理論形象化、直觀化的教學(xué)手段，尤其是在變壓器實(shí)驗(yàn)中難以觀察到的磁動(dòng)勢(shì)、磁通量變化的波形，有利于深化學(xué)生對(duì)變壓器理論的理解。

參考文獻(xiàn)

[1]周小滬，李曉慶，紀(jì)志成.基于MATLAB三相變壓器的仿真建模及特性分析[J].變壓器，2004，41（7）：19-23.

[2]胡志坤，何多昌，張作良，等.基于Matlab的三相變壓器故障的仿真模型[J].變流技術(shù)與電力牽引，2007，（1）：18-23.

[3]袁兆強(qiáng)，凌艷.基于MATLAB的變壓器仿真建模及特性分析[J].電力學(xué)報(bào)，2007，22（2）：175-179.

[4]王希平，李文才，李燕，等.基于Simulink配電變壓器模型的建立及仿真[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（9）：124-126，132.

[5]張紹彪，王定友，陶俊斌.Matlab仿真在電機(jī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（27）：195-196.

[6]黃紹平，李永堅(jiān).基于MATLAB的變壓器空載合閘瞬變過(guò)程仿真研究[J].繼電器，2004，32（8）：19-21.

[7]張重遠(yuǎn)，楊磊，李文博.基于Matlab軟件的變壓器空載勵(lì)磁電流仿真[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6（1）：51-53.

[8]陳仁云，梁嬌蘭.基于MatLab的抑制變壓器勵(lì)磁涌流仿真研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6（3）：86-89.

[9]黃力，劉葦葦.基于Matlab軟件的電力變壓器勵(lì)磁涌流仿真及分析[J].電工電氣，2012，（5）：31-34.

[10]李興寧，王書(shū)杰.基于MATLAB的變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流仿真分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（6）：192-193，196.