基于Multisim的單相變壓器空載/負(fù)載試驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

肖海紅 陳紅利

摘要：根據(jù)國(guó)家《GB 1094.1-2013 電力變壓器 第一部分：總則》規(guī)定，變壓器出廠需要對(duì)變壓器進(jìn)行例行試驗(yàn)，針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高，且在特殊環(huán)境需要線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)的情況下，這次設(shè)計(jì)基于Multisim的變壓器短路/開(kāi)路試驗(yàn)的在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案，給出了虛擬儀器的接線(xiàn)電路及實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)電方案涉及了虛擬儀器、電工技術(shù)、高電壓技術(shù)等知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合，傳統(tǒng)技術(shù)與新興技術(shù)相結(jié)合，因此具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：線(xiàn)上模擬實(shí)驗(yàn);Multisim;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

0引言

根據(jù)國(guó)家《GB 1094.1-2013 電力變壓器 第一部分：總則》國(guó)家規(guī)定，變壓器出廠需要對(duì)變壓器進(jìn)行例行試驗(yàn)，例行試驗(yàn)項(xiàng)目中，需要測(cè)量的項(xiàng)目包括：變壓器變比、線(xiàn)圈的直流電阻、空載電流及空載損耗（鐵損）、負(fù)載損耗（銅損）及短路阻抗等。傳統(tǒng)的變壓器空載試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是在二次側(cè)施加額定電壓，測(cè)量變壓器電量參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算變壓器線(xiàn)路參數(shù)及鐵損;傳統(tǒng)的變壓器短路試驗(yàn)（負(fù)載）實(shí)驗(yàn)是在一次側(cè)施加額定電流，通過(guò)測(cè)量變壓器電量參數(shù)求得變壓器線(xiàn)路參數(shù)及銅損。顯而易見(jiàn)，無(wú)論哪種試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，都需要將實(shí)際的電工儀表接入實(shí)際線(xiàn)路中。在試驗(yàn)過(guò)程中，初學(xué)者需要接觸到大功率的電源，有一定的為危險(xiǎn)性。同時(shí)，對(duì)于新冠病毒等疫情的情況下無(wú)法線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)，針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)一種基于Multisim的單相變壓器空載/負(fù)載試驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1） 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)使初學(xué)者更加深刻理解相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，熟練使用仿真軟件平臺(tái)。

2） 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)了解變壓器空載試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理，各參數(shù)測(cè)量原理及方法、計(jì)算方法;了解測(cè)量數(shù)據(jù)的處理過(guò)程;

3） 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握理解電力變壓器的空載負(fù)載實(shí)驗(yàn)方法，掌握類(lèi)似的仿真技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)指導(dǎo)

通過(guò)空載試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)變壓器以下缺陷：硅鋼片間絕緣不良。鐵芯極間、片間局部短路燒損，穿芯螺栓或綁扎鋼帶、壓板、上軛鐵等的絕緣部分損壞、形成短路，磁路中硅鋼片松動(dòng)、錯(cuò)位、氣隙太大，鐵芯多點(diǎn)接地，線(xiàn)圈有匝間、層間短路或并聯(lián)支路匝數(shù)不等、安匝不平衡等，誤用了高耗劣質(zhì)硅鋼片或設(shè)計(jì)計(jì)算有誤。利用Multisim平臺(tái)，設(shè)計(jì)變壓器空載負(fù)載試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，提高使用虛擬儀器的能力;節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，且在較短時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，使得在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)較多的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、加深理解;加深了對(duì)交流電的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)歐姆定律、基爾霍夫定律的理解。基于Multisim的單相變壓器空載/短路實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)涉及了高電壓技術(shù)、電氣測(cè)量技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)等知識(shí)并涉及了軟件仿真技術(shù)。設(shè)計(jì)了電壓測(cè)量、電流測(cè)量、功率測(cè)量電路。根據(jù)電路的歐姆定律和基爾霍夫定律等概念，得到變壓器變比、空載電流、空載損耗、阻抗大小、直流電阻大小及相同性質(zhì)的短路時(shí)變壓器參數(shù)。基本計(jì)算公式為：

空載試驗(yàn)所得到的值，乘以變比的平方，得到變壓器一次側(cè)的相應(yīng)數(shù)值。（4）式也可用或者兩式求得。U1，U2分別為變壓器一次，二次側(cè)實(shí)際測(cè)量電壓值。

由于空載試驗(yàn)、短路試驗(yàn)測(cè)量原理大致相同，本文僅以空載試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)為例加以描述。

3試驗(yàn)原理

空載試驗(yàn)是在變壓器的二次側(cè)施加額定電壓，一次側(cè)開(kāi)路，測(cè)量二次側(cè)的電壓、電流功率，即空載電流和空載損耗，根據(jù)公式計(jì)算勵(lì)磁阻抗，根據(jù)測(cè)量的一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓計(jì)算變比，變比的平方乘以二次側(cè)的參數(shù)，得到一次側(cè)的相應(yīng)參數(shù)。為達(dá)到安全目的，變壓器空載試驗(yàn)一般在二次端施加低電壓緩慢升至額定電壓，試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

在變壓器二次側(cè)施加模擬交流電緩慢升至220 V，高壓側(cè)開(kāi)路，并按照?qǐng)D示接入功率表、電壓表、電流表（一次側(cè)電壓表通過(guò)互感器接入）。I即為空載電流，P為空載損耗，其他參數(shù)通過(guò)儀表讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算。二次側(cè)的三個(gè)虛擬儀器分別使電壓表、電流表和功率表，二次側(cè)電壓表需要采用電阻分壓以后進(jìn)行測(cè)量。

4 仿真實(shí)驗(yàn)步驟

將圖1所示原理圖繪制到Multisim，在軟件輸入端輸入模擬交流220V。仿真運(yùn)行時(shí)，根據(jù)虛擬儀表的讀數(shù)，對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，乘以變比的平方即可轉(zhuǎn)換為一次側(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，由于一次側(cè)電壓過(guò)高，需采取互感器或者電阻分壓的辦法接入測(cè)量?jī)x器，本實(shí)驗(yàn)采用電阻分壓的辦法進(jìn)行高壓測(cè)量，基于Multisim變壓器空載實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

圖2中，T1為被式變壓器，其他測(cè)試設(shè)備為Multisim自帶虛擬儀器。其中，軟件平臺(tái)的瓦特表接稱(chēng)功率表模式，根據(jù)需要，設(shè)定變壓器為升壓模式，萬(wàn)用表分別設(shè)定電壓或電流測(cè)量模式。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）打開(kāi)Multisim軟件，按照?qǐng)D2繪制電路原理圖;

2）設(shè)定XMM8為測(cè)量二次電壓的電壓表，XMM7為測(cè)量二次空載電流的電流表。將軟件平臺(tái)的瓦特計(jì)XWM1接成功率表模式;

3）設(shè)置變壓器鐵芯為非理想鐵芯，設(shè)置線(xiàn)圈電阻分別為10，100mΩ，設(shè)定一次、二次線(xiàn)圈無(wú)漏電電感，匝數(shù)為100：10000;

4）點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，調(diào)整匝數(shù)比，按照實(shí)驗(yàn)要求，緩慢提升電壓，改變變壓器參數(shù)，分別記錄各虛擬儀器的讀數(shù);記錄空載損耗、空載電流，計(jì)算阻抗、R、變比等多組數(shù)據(jù);

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

示范，設(shè)定變壓器鐵芯為非理想鐵芯，設(shè)置線(xiàn)圈電阻分別為10，100mΩ。

設(shè)定一次如圖3所示，從左至右，分別為功率P、二次電壓U2，空載電流I2，一次電壓表讀數(shù)。

被式變壓器二次側(cè)施加220V交流電，則一次側(cè)電壓為，一次側(cè)電壓表讀書(shū)為U，則一次側(cè)電壓為：

阻抗電壓有兩個(gè)分量一個(gè)是電抗電壓，一個(gè)是電阻電壓，阻抗電壓是變壓器的主要參數(shù)之一，從電壓器的實(shí)際運(yùn)行角度看，阻抗較小最好。這樣可以使運(yùn)行中輸出端的電壓變動(dòng)的內(nèi)部容量損耗較小一些，瓦特計(jì)讀數(shù)為變壓器空載損耗，電流表讀數(shù)為空載電流，仿真實(shí)驗(yàn)中阻抗大小為則總阻抗為：

其中U，I 為空載二次側(cè)電壓和電流表讀數(shù)，由（2）、（3）式可得，

6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

提前預(yù)習(xí)相關(guān)電力知識(shí)，繪制測(cè)量原理圖，通過(guò)仿真運(yùn)行，讀取各數(shù)據(jù)，計(jì)算需要測(cè)量的數(shù)據(jù)，并根據(jù)原理圖中各元件的標(biāo)稱(chēng)值計(jì)算測(cè)量誤差，觀察模擬實(shí)驗(yàn)是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，分析并解釋仿真電路中誤差產(chǎn)生的原因。

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作者簡(jiǎn)介：肖海紅，男，河南蘭考人，漢族，河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院教授，工程師，主要從事電氣測(cè)試技術(shù)研究和儀器儀表的研制。

河南工程學(xué)院 鄭州 451191