三相變壓器空載合閘的Matlab仿真教學

張代潤 劉紅萍

[摘 要] 將Matlab的Simulink仿真環境的多物理仿真技術應用于三相變壓器空載合閘的電機學教學過程中，通過三相變壓器空載合閘的仿真實例，生動呈現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，提供了一種電機學理論形象化、直觀化的教學手段，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，有利于深化學生對變壓器理論的理解。

[關鍵詞] 變壓器;空載合閘;Matlab仿真;電機教學

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

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] 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曲線參數為默認值;渦流元件參數為默認值;負載為12.1Ω，并在0.1s時接入變壓器二次側。

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相二次側電壓在加載時有沖擊。一次和二次側電壓電流是反相的，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時間更長些但幅度要略小，且B、C相的合閘涌流中出現了反向脈沖電流;二次側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聯，三柱芯式三相變壓器帶對稱負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、結語

本文將Matlab的Simulink仿真環境的多物理（Simscape）仿真技術應用于三相變壓器空載合閘的電機學教學過程中，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，提供了一種電機學理論形象化、直觀化的教學手段，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，有利于深化學生對變壓器理論的理解。

參考文獻

[1]周小滬，李曉慶，紀志成.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].變流技術與電力牽引，2007，（1）：18-23.

[3]袁兆強，凌艷.基于MATLAB的變壓器仿真建模及特性分析[J].電力學報，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].自動化技術與應用，2009，28（9）：124-126，132.

[5]張紹彪，王定友，陶俊斌.Matlab仿真在電機學教學中的應用[J].教育現代化，2018，5（27）：195-196.

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

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

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

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

[10]李興寧，王書杰.基于MATLAB的變壓器空載合閘時勵磁涌流仿真分析[J].機械制造與自動化，2013，42（6）：192-193，196.