变压器负载运行状态仿真课程设计.docx

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变压器负载运行状态仿真课程设计

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

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学号：

**********

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职称：

讲师

2013年12月6日

1引言..................................................................................1

2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.....................10

3.3.2负载运行计算基本原理..................................10

3.3.3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........................................................................17

1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，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.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

η＝P2/P1=P2/（P2∑P）*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=∫3U2nβI2ncosφ＝βSncosφ

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βm。

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，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2＝2ZL；

电流2建立二次磁动势2＝2N2，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1＝1N1，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1σ和2σ,并在一、二次绕组中感应漏电动势1σ和2σ。

1σ和2σ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1＋2=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

2.5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