三相變壓器空載合閘的Matlab仿真教學(xué)

張代潤 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)過程中，通過三相變壓器空載合閘的仿真實例，生動呈現(xiàn)了三相變壓器各相電壓、電流、繞組磁動勢、總磁動勢和磁通量的波形變化趨勢，提供了一種電機(jī)學(xué)理論形象化、直觀化的教學(xué)手段，尤其是在變壓器實驗中難以觀察到的磁動勢、磁通量的變化波形，有利于深化學(xué)生對變壓器理論的理解。

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

[作者簡介] 張代潤（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] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 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，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)電壓波形在開始時有較明顯的畸變，在加載后其值有所降低，且B、C相二次側(cè)電壓在加載時有沖擊。一次和二次側(cè)電壓電流是反相的，這可以通過交換Winding2的極性來改變。

圖3為圖1（a）空載合閘仿真的繞組磁動勢、總磁動勢、磁通量的波形。由圖3可見，在空載合閘時，一次繞組磁動勢和總磁動勢有較大沖擊，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稱的，雖然這時各相的總磁動勢還并非完全對稱（見圖中局部放大部分）。但從趨勢上看，各相的總磁動勢將逐漸趨向于對稱。

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，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)時間更長些但幅度要略小，且B、C相的合閘涌流中出現(xiàn)了反向脈沖電流;二次側(cè)電壓波形在開始時有較明顯的畸變，在加載后其值有所降低，且B、C相二次側(cè)電壓在加載時有沖擊。

圖5為圖1（b）空載合閘仿真的繞組磁動勢、總磁動勢、磁通量的波形。由圖5可見，在空載合閘時，一次繞組磁動勢和總磁動勢有較大沖擊，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稱的，雖然這時各相的總磁動勢并非完全對稱的（見圖中局部放大部分）。但從趨勢上看，各相的總磁動勢將逐漸趨向于對稱。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稱負(fù)載時的各相總磁動勢波形與三相變壓器組的是有明顯不同的（見圖3和圖5中局部放大部分）。

三、結(jié)語

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)過程中，通過三相變壓器空載合閘（含組式、三柱芯式兩種模型）的仿真實例，生動呈現(xiàn)了三相變壓器各相電壓、電流、各繞組磁動勢、總磁動勢和磁通量的波形變化趨勢，提供了一種電機(jī)學(xué)理論形象化、直觀化的教學(xué)手段，尤其是在變壓器實驗中難以觀察到的磁動勢、磁通量變化的波形，有利于深化學(xué)生對變壓器理論的理解。

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