扬州大学 MATLAB 课程设计 变压器

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1、扬州大学专业软件应用综合设计报告水能学院11级电气专业题目变压器综合仿真设计一学生浦健 学号111704222指导教师张建华2014年1月3日变压器综合仿真设计一摘要：变压器的稳定运行对于电网设备的连续可靠运转具有十分重要的意义。在正常情况下， 变压器的励磁电流通常不会超过变压器额定电流的2%5%。但当变压器空载合闸或外 部故障切除恢复供电时，变压器一次绕组内会产生数值极大的瞬态励磁涌流，励磁涌流一方 面会导致绕组变形，减小变压器的使用寿命；另一方面还会使变压器差动保护装置产生误动 作，此外励磁涌流中包含的高次谐波以及直流分量，会降低电力系统的供电质量，在一定条 件下可能会引起电力系统谐振，产

2、生过电压。目前对励磁涌流的研究包括两方面：一是如何 有效抑制励磁涌流；二是如何鉴别励磁涌流与故障电流。但可以鉴别只表明差动保护不会误 动作，并未减小变压器的瞬态过渡过程对电网的冲击以及对绕组的损伤。未来的发展方向还 是在于提出更好地抑制涌流产生的方法和策略，而这又离不开对励磁涌流产生的原理及过程 进行正确的分析与测量。本文针对单相变压器空载合闸励磁涌流的暂态特性进行了建模和实验研究。本文主要介 绍单相变压器的基本工作原理并在此基础上结合MATLAB软件，通过仿真测试介绍单相线性、 非线性单相变压器的空载及合闸过程的特性。同时，本文也会在仿真过程中结合事例，讲解 运用MATLAB及Simulin

3、k进行电路仿真的基本知识。关键字：MATLAB； Simulink；单相变压器；空载运行1引言设计背景设随着科学技术进步，电工电子新技术的不断发展，新型电气备不断涌现，人们使用电 的频率越来越高，人与电的关系也日益紧密，对于电性能和电气产品的了解，已成为人们必 需的生活常识。变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成同 频率的另一种电压的交流电能，以满足不同负载的需要。在电力系统中，变压器是一个重要 的电气设备，它对电能的经济传输，灵活分配和安全使用具有重要的作用，此外，也使人们 能够方便地解决输电和用电这一矛盾。输电线路将几万伏或几十万伏高电压的电能输送到负荷

4、区后，由于用电设备绝缘及安全 的限制，必需经过降压变压器将高电压降低到适合于用电设备使用的低电压。当输送一定功 率的电能时，电压越低，则电流越大，电能有可能大部分消耗在输电线路的电阻上。为此需 采用高压输电，即用升压变压器把电压升高输电电压，这样能经济的传输电能。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安；电压低的只有几伏， 高的可达几十万伏。如果按变压器的用途来分类，几种应用最广泛的变压器为：电力变压器、 仪用互感器和其他特殊用途的变压器；如果按相数可以分为单相和三相变压器。不管如何进 行分类，其工作原理及性能都是一样的。变压器是通过电磁耦合关系传递电能的设备，用途 可综述为：

5、经济的输送电能、合理的分配电能、安全的使用电能。实际上，它在变压的同时 还能改变电流，还可改变阻抗和相数。小型变压器指的是容量1000V.A以下的变压器。最简 单的小型单相变压器由一个闭合的铁芯（构成磁路）和绕在铁芯上的两个匝数不同、彼此绝缘 的绕组（构成电路）构成。这类变压器在生活中的应用非常广泛。设计目的：掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库；对变压器运行进行仿真设计；了解变压器空载特性、合闸及副边短路过程中变压器内部工作特性。2设计依据及框图变压器在规定的使用环境和运行条件下，主要技术数据一般都都标注在变压器的铭牌 上。主要包括：额定容量、额定电压及其分接、额定频率、绕

6、组联结组以及额定性能数据（阻 抗电压、空载电流、空载损耗和负载损耗）和总重。A、额定容量（kVA）:额定电压.额定电流下连续运行时，能输送的容量。B、额定电压（kV）:变压器长时间运行时所能承受的工作电压.为适应电网电压变 化的需要，变压器高压侧都有分接抽头,通过调整高压绕组匝数来调节低压侧输出电压.C、额定电流（A）:变压器在额定容量下，允许长期通过的电流.D、空载损耗（kW）:当以额定频率的额定电压施加在一个绕组的端子上，其余绕组 开路时所吸取的有功功率。与铁心硅钢片性能及制造工艺、和施加的电压有关E、空载电流（）:当变压器在额定电压下二次侧空载时，一次绕组中通过的电流. 一般以额定电流的

7、百分数表示.F、负载损耗（kW）:把变压器的二次绕组短路，在一次绕组额定分接位置上通入额 定电流，此时变压器所消耗的功率.G、阻抗电压（）:把变压器的二次绕组短路，在一次绕组慢慢升高电压，当二次绕 组的短路电流等于额定值时，此时一次侧所施加的电压.一般以额定电压的百分数表示.H、相数和频率:三相开头以S表示，单相开头以D表示。中国国家标准频率f为50Hz。 国外有60Hz的国家（如美国）。I、温升与冷却：变压器绕组或上层油温与变压器周围环境的温度之差，称为绕组或 上层油面的温升.油浸式变压器绕组温升限值为65K、油面温升为55K。冷却方式也有多种： 油浸自冷、强迫风冷，水冷，管式、片式等。J、

8、绝缘水平：有绝缘等级标准。绝缘水平的表示方法举例如下：高压额定电压为35kV 级，低压额定电压为10kV级的变压器绝缘水平表示为LI200AC85/LI75AC35，其中LI200 表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为200kV，工频耐受电压为85kV，低压雷电冲击耐受电 压为75kV，工频耐受电压为35kV.奥克斯高科技有限公司目前的油浸变压器产品的绝缘水平 为LI75AC35，表示变压器高压雷电冲击耐受电压为75kV，工频耐受电压为35kV，因为低压 是400V，可以不考虑。K、联结组标号：根据变压器一.二次绕组的相位关系，把变压器绕组连接成各种不同 的组合，称为绕组的联结组。为了区别不同的

9、联结组，常采用时钟表示法，即把高压侧线电压 的相量作为时钟的长针,固定在12上,低压侧线电压的相量作为时钟的短针,看短针指在哪 一个数字上，就作为该联结组的标号.如Dyn11表示一次绕组是（三角形）联结，二次绕组是 带有中心点的（星形）联结，组号为（11）点。2.1设计平台MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）是由美国 mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。 它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功 能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以

10、及必须进行有效数值计算的 众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语 言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数 值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户 界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图 像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似， 故用MATLAB来解算

11、问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB 也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加 入了对& FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序 导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的 程序，用户可以直接进行下载就可以用。其主要功能有：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、 数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用

12、图形表现出来， 并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画 和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很 大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面 的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处 理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特 殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的 要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的

13、改善，对这 方面有特殊要求的用户也可以得到满足。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是 由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要 自己编写代码。领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微 分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI 控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速 原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具 箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。MATLA

14、B包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为功能性 工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处 理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包， 通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都 是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。常见工具包Matlab Main Toolboxmatlab 主工具箱Control System Toolbox控制系统工具箱Communication Toolb

15、ox通讯工具箱Financial Toolbox财政金融工具箱System Identification Toolbox系统辨识工具箱Fuzzy Logic Toolbox模糊逻辑工具箱Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高阶谱分析工具箱Image Processing Toolbox图象处理工具箱computer vision system toolbox计算机视觉工具箱LMI Control Toolbox线性矩阵不等式工具箱Model predictive Control Toolbox模型预测控制工具箱p -Analysis and Synthe

16、sis Toolboxp 分析工具箱Neural Network Toolbox神经网络工具箱Optimization Toolbox优化工具箱Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱Robust Control Toolbox鲁棒控制工具箱Signal Processing Toolbox信号处理工具箱Spline Toolbox样条工具箱Statistics Toolbox统计工具箱Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱Simulink Toolbox动态仿真工具箱Wavele Toolbox小波工具箱DSP system toolboxD

17、SP 处理工具箱Simulink此次课程设计过程中我们主要运用到的Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供 一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的 集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造 出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、 灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿 真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Sim

18、ulink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

19、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。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了 Simulink多领域建模功能，也提供了用于 设计、执行、验证和确认任务的相应工具oSimulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以 及信号参数和测试数据的定义。主要特点：丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分

20、割模型，实现对复杂设计的管理通过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生 成模型代码提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用Embedded MATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试 数据模型分析和诊断

21、工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误Simulink组件中包括了连续模块(continuous)块、非连续模块(Discontinuous)、 离散模块(Discrete)、逻辑和位操作模块(Logic and Bit Operation)、查找表模块 (Lookup Table)、数学模块(Math Operations)、模型检测模块(Model Verification)、 模型扩充模块(Model-Wide Utilities)、端口和子系统模块(Prot & Subsystems)、信号 属性模块(Signal Attributes)、信号路线模块(Signal Routing)

22、、接收器模块(Sinks) 输入源模块(Sources)、用户自定义函数模块(User-Defined Functions)等模块。Simpowersystems课程设计过程中我们用到的另一个主要的模块是simpowersystems模块。它是在Simulink环境下进行电力电子系统建模和仿真的先进工具。SimPowerSystems中模块的数学模型基于成熟的电磁和机电方程，用标准的电气符号表 示。它在发电输变电系统和电力分配计算方面提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发 内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。对于具有复杂自给型供电装置，如汽车、飞机、 制造设备上的电气系统和普通用电装置而言

23、，用SimPowerSystems进行分析和设计非常理 想。SimPowerSystems是Simulink的一个专用模块集，由电气仿真专家 TEQSIMInternational最初开发。该模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，以直观易 用的图形方式对电气系统进行模型描述。模型可与其它Simulink模块相连接，进行一体化 的系统级动态分析主要特点：使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真为建立详细的电力系统模型提供了广泛全面的模块库标准的AC和DC电机模型模块、变压器、传输线、信号和脉冲发生器、HVDC控制、 IGBT模块和大量设备模型，有断路器、二极管、IGBT、GTO、MOS

24、FET和晶闸管等电力电子器 件使用功能强大的Simulink变步长积分器和过零检测功能，给出高度精确的电力系统 仿真计算结果为快速仿真和实时仿真提供了离散化和信息矢量化方法提供多种分析方法，可以计算电路的状态空间表达、电流和电压的稳态解提供了扩展的电气系统网络设备模块，如电力机械，功率电子元件，控制测量模块和 三相元器件。SimPowerSystems拥有130多个模块，分别位于6个子模块库中。用户可以同标准的 Simulink模块一起使用建立包含电气系统和控制回路的模型，附加的测量模块可以对电路 进行傅立叶分析和三相序列分析。SimPowerSystems模块库包含下列6个子模块库：电源包括

25、AC和DC电压源，受控电压源和受控电流源。电流回路元器件包含RLC支路和负载、线性和饱和变压器、电路分离器、传输线模型电力机械包含完整或简化形式的异步电机，同步电机，永磁同步电机，直流电机，激磁系统和水 力和蒸气涡轮-调速系统模型电子元器件包括二极管，简化/复杂晶闸管，GTO，开关，MOSFET，IGBT和通用型桥接管模型控制和测量模块包括电压、电流和电抗测量，RMS测量，有效和无功功率计算，计时器，万用表，傅立叶分析，HVDC控制，总谐波失真，abc到dq0和dq0到abc轴系变换，三相V-I测量，三相脉冲和信号发生，三相序列分析，三相PLL和连续/离散同步6-，12-脉冲发生器三相网络元器

26、件三相RLC负载和支路，断路器和故障点，三相电抗，n型传输线，电压源，6-脉冲二极 管和晶闸桥管，整流二极管，Y-A /Y-A /Y-A /Y-Y-A可配置三相变压器，分析器和测量。由于SimPowerSystems是与MATLAB无逢结合在一起的，用户可以充分利用MATLAB表达 式，工作空间中的变量以及MATLAB的脚本文件，以简化复杂的仿真计算。利用 SimPowerSystems，用户可以修改系统的初始状态以便可以从任意的初始条件进行仿真。图 形用户界面能够显示测量的电流值和电压值以及所有的状态变量（电感电流和电容电压）。2.2设计思想变压器的损耗是变压器的重要性能参数，一方面表示变压

27、器在运行过程中的效率，另 一方面表明变压器在设计制造的性能是否满足要求。变压器空载损耗和空载电流测量、负载 损耗和短路阻抗测量都是变压器的例行试验。变压器的空载试验就是从变压器任一组线圈施加额定电压，其它线圈开路的情况下， 测量变压器的空载损耗和空载电流。空载电流用它与额定电流的百分数表示进行空载试验的目的是：测量变压器的空载损耗和空载电流；验证变压器铁心的设计 计算、工艺制造是否满足技术条件和标准的要求；检查变压器铁心是否存在缺陷，如局部过 热，局部绝缘不良等。变压器的短路试验就是将变压器的一组线圈短路，在另一线圈加上额定频率的交流电压 使变压器线圈内的电流为额定值，此时所测得的损耗为短路损

28、耗，所加的电压为短路电压， 短路电压是以被加电压线圈的额定电压百分数表示的，此时求得的阻抗为短路阻抗，同样以 被加压线圈的额定阻抗百分数表示，变压器的短路电压百分数和短路阻抗百分数是相等的， 并且其有功分量和无功分量也对应相等。进行负载试验的目的是：计算和确定变压器有无可能与其它变压器并联运行；计算和 试验变压器短路时的热稳定和动稳定；计算变压器的效率；计算变压器二次侧电压由于负载 改变而产生的变化。试验要求和注意事项试验电压一般应为额定频率、正弦波形，并使用一定准确等级的仪表和互感器。如果施 加电压的线圈有分接，则应在额定分接位置。试验中所有接入系统的一次设备都要按要求试验合格，设备外壳和二

29、次回路应可靠接 地，与试验有关的保护应投入，保护的动作电流与时间要进行校核。三相变压器，当试验用电源有足够容量，在试验过程中保持电压稳定。并为实际上的三 相对称正弦波形时，其电流和电压的数值，应以三相仪表的平均值为准。联结短路用的导线必须有足够的截面，并尽可能的短，连接处接触良好。23设计结构框图或流程图变压器综合仿真设计图1压器综合仿真设计方框图图2变压器综合仿真设计流程图空空副载载边运合突行闸然短图1变路2.4各模块功能简介图3常用simulink模块Out提供一个输出Scope示波器AC Voltage Source正弦交流电压源Current Measurement用于检测电路电流大小

30、，使用时串联在电路中Voltage Measurement用于检测电路电压大小，使用时并联在电路中Powergui超级人机交互模块Saturable Transformer饱和单相变压器Linear Transformer线性单相变压器表1常用simulink模块功能3软件调试分析3.1单相变压器空载运行仿真电路图图3单相变压器空载运行仿真电路图数据波形图一实验步骤1）按照图3在simulink中搭建并连接电路2）设置仿真时间0.2秒，执行仿真3）回到MATLAB主界面，输入命令plot（tout,yout）4）观测输出波形是否满足预期要求，若不满足，则重复步骤2），若满足则记录波形理论分析在

31、外加电压为正弦规律变化时，原边电流将畸变为尖顶波主要是因为有励磁涌流的原 因，当合上断路器给变压器充电时，也就是空载运行的时候，开始的时候可以看到变压器电 流表的指针摆得很大，然后很快返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌 流，特点如下：1）涌流含有数值很大的高次谐波分量（主要是二次和三次谐波），因此，励磁涌流的变化 曲线为尖顶波。2）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此， 在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0.51s后其值不超过（0.250.5）In。3）一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度 往往比短

32、路电流衰减慢一些。4）励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的810倍。当整定一台断路器控制一台变 压器时，其速断可按变压器励磁电流来整定。3.2单相变压器空载合闸仿真电路图图5单相变压器空载合闸主电路图S l：l：l pH 1powerguiLinear T ransforE”Curre nt M e asure m e ntBreakerI-nSeries RLC BranchContinuous ut1AC Voltage Source图7单相变压器空载合闸测输出端电压电路图数据波形图合闸过程中输入端电流输入电流0.020.030.040.050.060.070.03叶间t图9单相变压器空

33、载合闸输入电流波形图叶间t图11单相变压器空载合闸铁芯内主磁通波形图实验步骤1）按照图3在simulink中搭建并连接电路2）设置仿真时间0.2秒，执行仿真3）回到MATLAB主界面，输入命令plot（tout,yout）4）观测输出波形是否满足预期要求，若不满足，则重复步骤2），若满足则记录波形 理论分析所谓的空载合闸就是在变压器二次侧不带负载的情况下，将一次侧合闸接入额定电压。 如果变压器一次侧合闸瞬间正好是电压过零时，由于变压器铁芯中的磁通相位落后电压90 度，所以此时铁芯中的磁通为最大，但是磁通是不能突变的，所以铁芯中会产生一个方向相 反随时间衰减速的直流磁通来抵消这个最大值，经过半个

34、周期后，这个直流磁通又与交流磁 通方向相同，二者相加，就使得铁芯饱和，就会产生很大的激磁涌流。经过若干个周期以后， 直流磁通完全衰竭，铁芯中就是正常工作的额定交流磁通了。3.3单相变压器副边突然短路仿真电路图图12副边突然短路测原边电流电路图图13副边突然短路测副边电流电路图数据波形图波形数据副边突然短路原边电流原这运流0.050.10.150.2-0.250.30.350.4图14副边突然短路原边电流波形图副边短路过程中副边电流副边电流实验步骤1）按照图3在simulink中搭建并连接电路2）设置仿真时间0.2秒，执行仿真3）回到MATLAB主界面，输入命令plot（tout,yout）4）

35、观测输出波形是否满足预期要求，若不满足，则重复步骤2），若满足则记录波形4结语变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器，用于把低电压变成高电压或把高电压 变成低电压，是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器合闸时，可能产生很大的电流。 当合上断路器给变压器充电时，有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大，然后很快返 回到正常的空载励磁电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流。变压器励磁电流的大小取 决于励磁电感L。的数值，也就取决于变压器铁芯是否饱和，正常运行和外部故障时变压器 不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2oA5%，对变压器的纵差动保护的影响常 常略去不计。当变压器空载投入或者外

36、部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或很小的 值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大 的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流就是励磁涌流。励磁涌流的最大值可以达到额定电流的 48倍，并与变压器的额定容量有关。励磁涌流的特点1）涌流含有数值很大的高次谐波分量（主要是二次和三次谐波），因此，励磁涌流的变化 曲线为尖顶波。2）励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此， 在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0. 51s后其值不超过（0. 25-，0. 5）iN。一 般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰

37、减速度往往比短 路电流衰减慢一些。3）励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的810倍。4）波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小。5）含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。6）变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流大小跟很多因素有关，主要受到变压器铁 芯剩磁、合闸角的影响目前，在励磁涌流的数值仿真方面，主要集中在以下集中比较成熟的方法上：使用变压 器铁芯的基本磁化曲线进行拟合，即不考虑变压器在重新合闸后，变压器铁芯中的磁滞现象 对励磁涌流的影响。还有就是借助变压器的磁滞模型，但仍然借用变压器铁芯的基本磁化 曲线进行拟合计算口。同时，有的文献提出可以在变压器

38、基本磁化曲线的基础上，进过适 当的修正，同样可以反映变压器的磁滞特性。虽然上述方法都已经比较成熟，但是通过实际 检验，发现各种数值算法对初始值的依赖性很大，如果初始数据不合适，很有可能在程序中 出现错误，甚至可能计算出来的结果是发散的，而导致程序陷入死循环。其实，更多的文献 集中在对依托诸如Matlab等强大数值计算软件对涌流进行计算，充分利用了 Matlab的模块化 优势。同时有的文献分析了变压器励磁涌流的衰减机理，根据变压器等效电路，推导出衰减 励磁涌流的递归计算方法。通过曲线拟合的方法，提出了涌流幅值和间断角随时间变化的实 用计算公式，为变压器差动保护和后备保护的原理研究、整定计算提供了

39、分析计算的工具口。 其实，过去研究者对励磁涌流的计算分析都是着眼于更加精确的计算，从而为继电保护的正 确精确整定奠定基础。但是实际上，变压器空载合闸的失败率还是相当高，完全可以另辟蹊 径，只要对励磁涌流的基本特征进行分析，然后寻找突破口，最终抑制掉涌流，可能是一条 更有前途的道路。4.1结论与讨论这次的课程设计我们组的课题是变压器仿真设计一，一共进行了三个变压器的模拟仿 真：第一个是单相变压器的空载运行仿真。单相变压器空载运行时，原边电流主要用来产生 主磁场，而电路损耗和铁芯损耗很小，因此即使外加电压很大，空载电流仍然很小。由于铁 磁材料的非线性，在外加电压为正弦规律变化时，原边电流将畸变为尖

40、顶波。第二个是单相变压器的副边突然短路仿真实验。变压器副边突然短路时，原副边电流将 瞬间大幅度增加。然后随过渡过程的进行逐渐达到稳态值。这是因为当变压器副边短路时， 将产生一个高于额定电流203O倍的短路电流。根据磁势平衡式可知，副边电流是与原边 电流反相的，副边电流对原边电流产生的主磁通起去磁作用，由于电磁的惯性原理，一次侧 要保持主磁通不变，必然产生一个很大的电流来抵消副边短路的去磁作用，这样二种因素的 大电流汇集在一起作用在变压器的铁芯和线圈上，在变压器中将产生一个很大的作用力。这 个力作用在线圈上，可以使变压器线圈发生严重的畸变和崩裂，另外产生出允许温升几倍的 温度，致使变压器在很短时

41、间内烧毁。第三个是变压器的空载合闸的仿真实验。变压器稳态运行时，10（空载电流）很小，大型 变压器甚至不到1%倍的额定电流；但在空载合闸时，变压器突然接入电网，此瞬时可能有 很大的冲击电流，也称之为励磁涌流。变压器的励磁涌流一般为额定电流的810倍。因此 变压器在空载合闸时，由于继电保护的动作导致可能出现合不上闸的情况。这次课程设计虽然只持续了一周的时间，中间还夹着元旦假期，真正用在实验上的时间 并不是很多，但是我们小组却一致认为我们从中学到了很多东西。首先，之前我们在学习 MATLAB时，注重它的基本使用方法和语句，而且也还是停留在很浅显的层面上的，包括之 前的考试也是注重的理论知识。而我们

42、知道MATLAB是一门实用性的语言，它有着强大的图 形图像功能，很多东西都需要我们在实践中，在日常使用中去发现、去摸索、去掌握。而这 次课程设计则给我们提供了这样的一个很好的平台。在使用过程中我们深刻体会到其功能的 丰富与强大。作为我们这个专业的学生，除了学习好规定的理论知识外，更重要的就是努力 将自己培养成实用性的人才，努力学习使用专业相关的软件知识。同时，通过这次课程设计我们对变压器的特性有了更进一步的认识。我们此次抽到的题 目比较简单，并不如其他组别那样的复杂，因此我们也只花了不到一天的时间就将规定的电 路仿真完毕，但组员们一致决定，利用这个机会和现成的条件，顺便做了变压器的短路试验、

43、并联运行等。通过这次实验我们对于变压器的认识有了更进一步的认识，由电机书上的理论 的平面知识，逐渐开始了解其运行的工作特性和运作方式。参考文献1 孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真.北京工业大学出版社，2 胡虔生.胡敏强.电机学.中国电力出版社。3 薛定宇.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用M.北京:清华大学出社,1996.4 魏克斯.MATLAB语言与自动控制系统设计M.北京:机械工业出版社.5 何平.模糊控制器的设计及应用M.北京科学出版社,1997.6 王耀南.智能控制系统M.长沙：湖南大学出版社，1996.7 冯垛生.电力拖动自动控制系统M.广州:高等教育出版社,1998.致谢此次课程设计虽然说只维持了一周的时间，但为了完成此次课程设计，我们小组的5 名成员都花费了很大的心思和时间，所以我首先相感谢的是他们的支持和努力！同时，在搭 建电路的过程中，由于之前并没有好好的学习去了解Simulink软件，在实验的过程中遇到了 很多这样那样的问题，但每一次都得到了张建华老师的悉心讲解，所以在这里同样需要感谢 他在此次课课程设计中给予我们小组的指导！另外，我还想感谢其他小组成员在实践中给我 们提供的建议与指导！我相信，没有以上这些人的帮助我们小组是不会如此顺利的完成此次 课程设计的。