扬州大学 MATLAB 课程设计 变压器

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Simulink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：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：⑴掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库；⑵对变压器运行进行仿真设计；⑶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、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C，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。

MATLAB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 Toolbox——matlab主工具箱Control System Toolbox——控制系统工具箱Communication Toolbox——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μ-Analysis and Synthesis Toolbox——μ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 toolbox-----DSP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。