Pspice电路仿真中变压器模型的使用.pdf

"#$%&电 路 仿 真 中 变 压 器 模 型 的 使 用张 东 辉!，"严 萍!高 迎 慧!孙 鹞 鸿!（!#中 国 科 学 院 电 工 研 究 所!$$$%$ "#中 国 科 学 院 研 究 生 院!$$$&’）摘 要 详 细 阐 述 了()*+,-电 路 仿 真 中 变 压 器 模 型 的 使 用 方 法 和 注 意 事 项 ， 包 括 通 用 线 性 变压 器 模 型 、 由 线 性 磁 心 模 型 构 成 的 线 性 变 压 器 模 型 、 具 有 磁 滞 现 象 和 饱 和 特 性 的 非 线 性 磁 心 构 成的 非 线 性 变 压 器 模 型 还 介 绍 了 利 用 电 压 控 制 电 压 源 和 电 流 控 制 电 流 源 构 成 的 具 有 交 流 和 直 流 传输 特 性 的 理 想 变 压 模 型 另 外 ， 提 出 了 利 用 模 型 编 辑 器 建 立 非 线 性 磁 心 模 型 的 两 种 方 法 ： 参 数 提取 法 和 试 错 法 ， 并 且 设 计 了 测 试 电 路 对 磁 心 模 型 进 行 测 试 关 键 词 计 算 机 辅 助 分 析()*+,-变 压 器./0’引 言利 用 计 算 机 辅 助 设 计 的 方 法 设 计 电 力 电 子 电路 ， 可 以 提 高 设 计 工 作 的 生 产 率 和 设 计 质 量［!］。

)*+,-仿 真 软 件 以 其 通 用 性 、 准 确 性 和 高 效 性 等 优点 在 电 力 电 子 电 路 辅 助 分 析 领 域 发 挥 了 重 要 的 作用 变 压 器 和 磁 性 元 件 是 电 力 电 子 电 路 中 重 要 的 组成 部 分 ， 如 何 在 电 路 仿 真 中 使 用 它 们 往 往 决 定 了 仿真 结 果 对 实 际 电 路 指 导 作 用 的 正 确 与 否 )*+,-仿 真 软 件 中 包 含 多 种 变 压 器 ， 其 中 线 性变 压 器 （1234 5+6-78） 和 由 线 性 磁 心 （9 5+6:-78） 构 成 的 线 性 变 压 器 在 特 定 情 况 下 可 以 当 作 理想 变 压 器 使 用［"］ 由 非 线 性 磁 心 构 成 的 非 线 性 变压 器 存 在 磁 滞 现 象 和 饱 和 特 性 ， 应 用 时 可 以 很 好 地反 映 实 际 情 况 另 外 ， 电 力 电 子 电 路 进 行 稳 态 分 析和 小 信 号 分 析 时 常 常 需 要 直 流 变 压 器 模 型 ， 实 际 电路 中 却 不 存 在 ， 可 以 通 过 电 压 控 制 电 压 源 和 电 流 控制 电 流 源 构 成 理 想 变 压 器 模 型 。

)*+,-仿 真 软 件 包 含 模 型 编 辑 器 （4;;8）组 件 ， 可 以 利 用 模 型 编 辑 器 对 非 线 性 磁 心 的!?"回 线 进 行 修 改 ， 当 符 合 要 求 时 提 取@+=-):0>A-8>;6参数 ， 根 据 参 数 选 取 所 需 要 的 磁 心 还 可 以 利 用 试 错法 （B8+7=76A-8>;6参 数 来测 试!?"回 线 是 否 符 合 要 求 ， 根 据 最 后 确 定 的@+=-):0>A-8>;6参 数 选 取 磁 心 进 行 试 验 研 究 线 性 变 压 器 的 使 用()’线 性 变 压 器 的 使 用线 性 变 压 器 （1234 5+6-78） 在767=;C#;=D库 中 ， 如 图!7所 示 变 压 器 的 变 比 由 一 次 侧 和 二次 侧 电 感 值 决 定 ， 变 比 为#)#! *，#*为 变 压 器 一次 侧 电 感 值 ，#)为 变 压 器 二 次 侧 电 感 值 变 压 器的 耦 合 系 数 为$， 其 取 值 范 围 为?!!!之 间 对于 常 规 的 线 性 变 压 器 可 以 取$E!， 仅 在 变 压 器 绕组 不 完 全 重 叠 时 采 用 小 于!的 值 。

图!线 性 变 压 器 模 型—%&"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""—· 电 力 系 统 ·电 气 应 用!""#年 第!$卷 第%期!"!线 性 磁 心 构 成 的 线 性 变 压 器 的 使 用线 性 磁 心 （! "#$%&’） 在&$&()*+)(,库 中 ， 由线 性 磁 心 构 成 的 线 性 变 压 器 如 图-,所 示 ， 其 使 用方 法 和 线 性 变 压 器 （./01 "#$%&’） 相 似 ， 只 是耦 合 电 感 自 行 设 置 ， 至 少 要 有 两 个 耦 合 电 感 ， 最 多可 以 有 六 个 电 感 耦 合 在 一 起 应 该 注 意 的 是 电 感 值的 单 位 为 亨 利 （2%$’#%3） ， 电 感 器 连 接 时 注 意 同 名端 的 位 置 "#受 控 源 构 成 的 线 性 变 压 器 的 使 用为 了 更 好 地 设 计 电 力 电 子 电 路 ， 需 要 对 电 路 的稳 态 电 路 和 小 信 号 电 路 进 行 分 析 和 仿 真 ， 这 时 会 用到 直 流 变 压 器 ， 然 而 在 实 际 中 却 不 存 在 。

在435#6%仿 真 软 件 中 ， 可 以 利 用 电 压 控 制 电 压 源 和 电 流 控 制电 流 源 构 成 理 想 变 压 器 ， 使 之 符 合 如 下 关 系 ： 一 次侧 和 二 次 侧 电 压 之 比 等 于 二 次 侧 和 一 次 侧 的 电 流 之比 受 控 源 构 成 的 线 性 变 压 器 如 图-6所 示 ， 其 变比 由 受 控 源 的 连 接 和 增 益 （7&#$） 决 定 受 控 电 压源 和 受 控 电 流 源 的 增 益 互 为 倒 数 使 用 该 变 压 器 时应 注 意 ： 电 压 控 制 电 压 源 的 被 控 端 不 能 与 电 压 源 相连 ， 电 流 控 制 电 流 源 的 被 控 端 不 能 与 电 流 源 相 连 ，否 则 电 路 仿 真 时 会 发 散 如 果 仿 真 时 在 变 压 器 的 一次 侧 和 二 次 侧 分 别 加 上 一 个 小 电 阻 ， 仿 真 时 收 敛 性会 更 好 "$线 性 变 压 器 的 应 用使 用 线 性 变 压 器 （./01 "#$%&’） 和 由 线 性磁 心 （! "#$%&’） 构 成 的 线 性 变 压 器 时 应 该 注 意其 励 磁 电 感 的 影 响 。

435#6%仿 真 软 件 中 线 性 变 压 器的 励 磁 电 感 可 以 近 似 为 一 次 侧 电 感 在 图8电 路中 ， 激 励 源 为 正 弦 信 号 ， 幅 值 为-99:； 变 压 器 的一 次 侧 和 二 次 侧 电 感 值 同 为-9!2； 励 磁 电 感 近 似为-9!2； 受 控 源 的 增 益 同 为-； 负 载 电 阻 为-99"； 激 励 源 串 联 等 效 电 阻 为9+-" 仿 真 结 果 如图;所 示 图;&所 示 图 形 为 瞬 态 仿 真 波 形 从 图 中 可 以看 出 ，#图86电 路 的 输 入 与 输 出 信 号 完 全 一 样 ，所 以 受 控 源 组 成 的 线 性 变 压 器 可 以 认 为 是 理 想 变 压器 由 线 性 变 压 器 （./01 "#$%&’） 、 线 性 磁 心（! "#$%&’） 和 其 近 似 等 效 电 路 构 成 的 变 压 电 路 输出 信 号 一 致 ， 可 以 说 明 由 线 性 变 压 器 、 线 性 磁 心 和其 近 似 等 效 电 路 构 成 的 变 压 电 路 特 性 一 致 ， 等 效 电路 可 以 认 为 是 合 理 的 ， 但 是 输 出 信 号 滞 后 于 输 入 信号 ， 说 明435#6%中 变 压 器 与 实 际 非 常 相 似 ， 能 够 很图8线 性 变 压 器 构 成 的 变 比 为-的 变 压 电 路好 地 反 映 实 际 电 路 的 工 作 情 况 。

图;,表 示 激 励 源 幅 值 为-99:， 频 率 从-2， 变 压 器 的 特 性 将 由 非 线 性 磁 心+决 定 非 线 性 变 压 器 的 使 用 方 法和 线 性 变 压 器 一 样 ， 只 是 变 比 由 一 次 和 二 次 绕 组 匝数 决 定 非 线 性 磁 心-4?(9@放 在)*+,-./01234库中 ， 可 以 作 为 通 用 的 非 线 性 磁 心 使 用 和 非 线 性 变压 器 一 样 ， 只 要 把56%3(6(7898&27属 性 改 为 相 应 的非 线 性 磁 心 模 型 就 可 以 应 用 了 ， 使 用 方 法 和 线 性 磁心- A&7(9?一 样 ， 只 不 过 耦 合 电 感 的 单 位 是 绕 组匝 数 而 不 是 亨 利 1表 示 激 励 源 为 正 弦 波 、 非 线 性 变 压 绕 组 匝数 比 为的 升 压 电 路 ， 磁 心5D! BE !C !FE>的 模 型 参 数如 下 ：1G.H+A5D! BE !C !FE>F.*+IGJ;!K=1D";C1>#;BC1B!CI,*+,;E1!=CC#,0L;B变 比 为:6 6’;:7磁 畴 壁 的 挠 曲 系 数# 9／0 : 6::: ?::磁 畴 壁 的 销 连 系 数9@,9 &076’A::!6’;:6平 均 磁 心 有 效 截 面 积"92B &0 6’A::!6’;:(EF,4D?7G;?::A6J"92BHG>IK）6参 数 提 取 法 建 立 非 线 性 磁 心通 常 情 况 下 ， 变 压 器 设 计 者 可 以 通 过$A%回 线 选 择 磁 心 ， 但 是 仅 仅 从$A%回 线 很 难 确 定铁 磁 心 参 数 。

设 计 者 可 以 使 用"#$%&’仿 真 软 件 的 模型 编 辑 器 （()*’+,*%-).） ， 通 过 对 磁 心 模 型$A%回 线 进 行 修 改 得 到 所 需$A%回 线 ， 然 后 通 过 参 数提 取 就 可 以 得 到L%+’#M9-N’.-)3模 型 参 数 ， 从 而 进行 磁 心 型 号 的 选 择 利 用 模 型 编 辑 器 提 取 磁 心 参 数具 体 步 骤 如 下 ：（6） 在()*’+,*%-).中 选 择O%+’／P’Q， 保 存 为新 的 库 名 ， 然 后 选 择()*’+／P’Q， 输 入 将 要 建 立的 模 型 名 称 ， 选 择(/R3’-%&C).’， 点 击ED就 可 以进 入 模 型 编 辑 界 面 了 ， 如 图J所 示 图J非 线 性 磁 心 编 辑 界 面（7） 根 据 要 求 输 入 初 始 磁 导 率 ， 如 图J中S3%M-%/+"’.0’/T%+%-U设 为6::::I，:） I） 输 入$A%回 线 的 闭 合 点 ， 如 （:>I，67，77::） ， （:>67，6!::） 设 置 坐 标 轴 ，"+)-／91%#=’--%3R， 如V91%#设 为A:>I:，:>I:。

J） 最 后 进 行L%+’#M9-N’.-)3参 数 提 取 ，2))+#／"/./0’-’.#,1-./&- 如 ：(=H!’;I!H6:>KIG6#HI>6J&07，"92BHG>IK&0， 其 余 参 数 采 用 缺 省 值 这 样 就 完成 了 非 线 性 磁 心 模 型 的 建 立 ， 并 且 进 行 了 参 数 提 取如 图G所 示 磁 心 建 立 过 程 中 应 该 注 意 以 下 方 面 ：!应 在 第 一 象 限$A%回 线 的 下 游 设 。