变压器虚拟实验系统设计

张　玮，赵忠双，邓旭辉，王　魁

(火箭军工程大学　装备管理工程系，西安　710025)



变压器虚拟实验系统设计

张玮，赵忠双，邓旭辉，王魁

(火箭军工程大学装备管理工程系，西安710025)

电机与拖动课程实验均为强电实验，在课程实验前引入虚拟实验，克服了传统的实验教学具有操作不当易引起电机故障和受时间限制的缺点。以电机与拖动课程实验项目中的三相变压器实验为例，将Matlab/ Simulink作为后台仿真工具，利用该软件的GUI设计用户界面，开发了一套虚拟实验系统。从虚拟实验平台的使用效果看，不仅可作为课程实验前学员熟悉实验的重要环节，还可作为学员熟悉Matlab工程软件的重要手段。

变压器；虚拟实验系统；Matlab软件；强电

“电机与拖动”是电力工程及其自动化专业重要的专业基础课，与工程实际联系紧密，对培养学员提高分析和解决工程实际问题的能力，进行电机选型、电力拖动系统设计、调试与研究具有重要作用。传统的实践教学由理论讲解和课程实验组成。课程实验是实践教学活动的重要环节，学员只有通过实验操作才能真正理解和掌握理论知识，并提高综合测试能力和动手能力。电机与拖动课程实验均为强电实验，传统课程实验的教学观念和实验教学方法暴露出2个缺点:一是在强电条件下操作，一旦操作不当，可能烧毁设备；二是易受时间、地点的限制。为此在课程实验前引入虚拟实验，不仅可以给学员带来直观的学习体验，激发学员的学习兴趣，还可以加深学员对理论知识的理解[1]。本文以电机与拖动课程实验项目中的变压器参数测定实验为例，利用Matlab搭建了虚拟实验平台，学员可在虚拟实验系统中进行实验操作，了解实验规范，熟悉实验流程，明确注意事项，为课程实验的顺利完成奠定基础。

1　虚拟实验系统设计与实现

本文利用Matlab作为开发工具，针对电机与拖动课程实验中的三相变压器参数测定实验设计了虚拟实验系统[2]，优势体现在:1)突破时空的限制；2)经济实用；3)易于扩展。开发思路为:1)利用Matlab/Simulink工具箱建立实验仿真模型；2)通过GUI技术开发实验界面；3)编写M程序并调试，建立GUI界面和仿真模型的联系。通过调用Matlab库函数，将计算结果反馈到界面上，利用Matlab绘制曲线函数，并在GUI曲线显示模块上显示[3]。仿真模型是虚拟实验系统的运作核心，决定了实验对象能否正确地响应实验者的相应操作；实验界面是用户与系统的对话环境；M程序的编写则将前二者联系起来，构成一个有机整体。如图1所示。

图1　虚拟实验框图

1.1建立仿真模型

利用数学模型(等效电路)的形式统一表示变压器复杂的电磁关系，便于分析和计算[4-5]，电路包括空载参数(rm和xm)和短路参数(rk和xk)，4个参数在变压器铭牌和手册中均无明显标示，可通过空载实验和短路实验分别测出，即三相变压器参数测定实验。此实验项目在电机与拖动课程实验中占据重要地位，为学员熟悉电机实验操作规程及顺利进行后续其他实验项目奠定基础。实验分为空载实验(用于测定励磁参数)和短路实验(用于测定短路参数)2个子实验。在Matlab/Simulink中搭建三相变压器参数测定实验仿真模型，通过控制开关的开闭完成2个子实验的切换，如图2所示[6]。

图2　三相变压器参数测定实验仿真模型

1.2GUI界面的开发

实验仿真模型搭建成功后，设计GUI人机交互界面，分总界面设计及实验项目界面设计两步[7]。首先开发总界面，用于选择实验项目，如图3所示。接下来设计实验项目界面，用于设置电源参数，显示实验数据和波形，如图4所示[8]。

图3　实验总界面

1.3M程序的编写与调试

GUI界面与实验仿真模型相互独立，采用M文件程序联系二者，以实现调用模型、设置相应参数功能及实验数据和曲线的输出，构成一个完整的虚拟实验系统。M程序是系统设计的核心环节[9]。

图4　三相变压器参数测定实验界面

以下程序片是判断是否已选中实验项目，是否已将电源两个参数正确输入到编辑框中，然后开始仿真[10]。

function fangzhen_Callback(hObject，eventdata，handles)

clear;

dianya=get(findobj(′tag′，′edit1′)，′string′);

dianyuanpv=get(findobj(′tag′，′edit2′)，′string′);

canshu1=isempty(dianya);

canshu2=isempty(dianyuanpv);

if ((canshu1==1)&&(canshu2==1))

msgbox(′参数不完整，请重新填写！′，′错误′，′error′);

elseif～((get(findobj(′tag′，′kongzai′)，′value′)==1)||(get(findobj(′tag′，′duanlu′)，′value′)==1))

msgbox(′选择实验项目′，′错误′，′error′);

else

s=questdlg(′开始仿真!′，′开始′，′是′，′否′，′是′);

if strcmp(s，′否′);

当参数填写不完整时，系统将提示错误；如果没有选择实验项目，也将提示错误。只有参数填写正确，实验项目选择完毕后方可开始仿真。例如，选择空载实验，程序控制打开电路模型，将电源参数输入到模型中去，完成参数传递与参数设定，然后保存和关闭模型[11]。

2　虚拟实验系统仿真结果与分析

界面设计完毕，且M文件程序调试正确后，系统运行并在界面上显示仿真结果，根据波形可进行参数计算。

2.1变压器空载实验结果及分析

空载实验时A相电压波形如图5所示。实验结果输出后，可从空载实验界面上读取电压UN、原边同相电流I0以及功率p0，通过公式计算励磁参数。

图5　变压器空载仿真实验A相电压输出曲线

2.2变压器短路实验结果及分析

短路实验A相电压波形，如图6所示。从短路实验界面上读取原边电流IN、电压Uk和输入功率pk，通过公式计算短路参数。

学员只有真正理解了实验原理，才可能计算出变压器的4个参数，然后与给出的参考数据对比。若有误差，重新设置参数和计算，直至与给出的参考数据吻合，这一过程加深学员对理论知识的理解。另外，学员可通过虚拟实验操作，了解实验规范，熟悉实验流程，明确注意事项，从而为后续课程实验的顺利完成奠定基础。

图6　变压器短路仿真实验A相电流输出曲线

3　结束语

本文利用Matlab/Simulink搭建了三相变压器参数测定实验仿真模型；通过GUI技术开发出实验界面；编写M文件程序，建立GUI界面和仿真模型的联系，实现调用模型和设置相应参数的功能及实验数据和曲线的输出。从实验平台的使用效果来看，不仅有利于提高学员对课程理论知识的认识理解，还可作为课程实验前学员熟悉实验的重要环节，亦可作为课程教学中使学员熟悉工程软件的重要手段。

[1]李正，杨文焕.《电机与拖动》虚拟实验的教学研究[J].中国电力教育，2008(124):147-148.

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[3]贺超英，黄美成.基于Matlab/SIMULINK的鼠笼式异步电动机仿真[J].微电机，2004(6):8-10.

[4]孙旭东，王善铭.电机学[M].北京:清华大学出版社，2006:21-45.

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[7]周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真[M].北京:中国电力出版社，2007:36-67.

[8]郑亚民，蒋保臣.基于Simulink的电机拖动系统动态仿真[J].计算机与自动控制，2004(3):34-37.

[9]徐清超，刘启胜.基于Matlab和CAD的电机教学软件[J].电力系统及其自动化学报，2005，17(4):94-97.

[10]何山，李勇伟，黄嵩.有限元软件在电机教学中的应用[J].现代教育技术，2008，18(3):125-128.

[11]李正，杨文焕.Maxwell软件在电机与拖动基础课程中的辅助教学研究[J].教育科研，2008(8):97-98.

Design of Transformer Virtual Experiment System

ZHANG Wei，ZHAO Zhongshuang，DENG Xuhui，WANG Kui

(School of Equipment Engineering Administration，Xi’an Research Institute of Hi-Tech，Xi’an 710025，China)

Voltage of the course experiments of Electrical machine and driving is higher.Not only may the improper operation can lead to an accident，but also the experiment time is limited.In order to overcome shortcomings of the course experiments，virtual experiments are introduced.Based on the transformer experiment project of the course experiments of Electrical machine and driving，virtual experiment system is designed with Matlab/Simulink to establish experimental models，and the virtual experiment interface is designed using GUI.Virtual experiment is a useful complement to course experiments.From the effect of the virtual experiment system，the system can be used as not only an important link of the course experiment，but an important means that students can be familiar with the Matlab engineering software.

transformer; virtual experimental system; Matlab software; strong electricity

2015-01-19

张玮(1977-)，女，工学硕士，讲师，主要从事电力电子与电力传动方面的研究。

G642.423；TP31

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.028