非晶合金变压器振动噪声研究中的多物理场耦合

非晶合金变压器振动噪声多场耦合仿真研究华南理工大学钟星鸣指导老师：韩强教授姚小虎副教授联系方式：[e-mail]2009-11-22目录•1研究背景和意义•2变压器振动与噪声简介•3非晶合金变压器的发展状况•4非晶合金变压器结构简介•5非晶合金变压器振动噪声仿真研究1研究背景和意义•随着科技的进步、社会的发展、人民生活水平的提高，城市用电量逐年增加。•电力系统中安装了大量的电力设备来生产、输送、分配电能。1研究背景和意义中国是世界上电力变压器的生产大国，也是应用电力变压器的大国。变压器总产量(1E6千伏安）02004006008001,0001,2002003年2004年2005年2006年2007年2008年1研究背景和意义近年来，越来越多的大型变压器安装在住宅或公共场所附近，使得附近的居民受到不断升级的烦人的噪声干扰。在这种情况下，变压器的振动和噪声问题越来越引起人们的高度重视。国内外学者对此进行研究。2变压器振动与噪声简介变压器在运行时，由于振动而产生噪声按照产生机理噪声可分为:空气动力性噪声电磁性噪声机械性噪声气体扰动引起磁场脉动、磁致伸缩引起机械结构振动引起2变压器振动与噪声简介变压器噪声源本体噪声铁心磁致伸缩铁心电磁吸力绕组间电动力冷却系统噪声冷却风扇运行产生振动变压器本体振动通过结构传给冷却装置的振动3非晶合金变压器的发展状况3.1国外非晶合金发展状况•1960年美国麻省理工学院的教授发明了非晶态合金；•1979年美国联合公司最早研制出具有实用价值的Metglas2605SC合金以来，配电变压器用Fe基非晶态合金的发展得到了长足的进展；•20世纪80年代美国4个变压器厂在IEEE会议上首次展示了非晶配电变压器；•1982年第一台非晶合金配电变压器在美国电网上正式运行；•1985年，美国GE公司制造出1000台25KV·A非晶变压器，初步实现了商业化。•目前，全球挂网运行的非晶合金变压器约有200万台。其中，在美国和日本每年新装配电变压器中，非晶合金变压器约占10%~20%份额。3.2国内的非晶合金变压器发展状况•我国非晶合金变压器的研制工作始于“七五”。•1986年5月，上海钢铁研究所与宁波变压器厂合作，用该所研制的非金合晶带材试制出国内第一台单相3kVA非金合晶变压器。•1988年9月，上海钢铁研究所与上海冶金设备厂，上海硅钢片厂合作采用传统叠片式结构成功研制100kVA三相非晶配电变压器。•1989年8月，上海钢铁研究所与洛阳变压器厂试制出三相30kVA卷绕式非晶铁芯配电变压器。3.2国内的非晶合金变压器发展状况•1991年至1995年，上海冶金设备总厂采用钢研总院生产的铁基非晶带材，试制出多台20kVA、30kVA、50kVA、100kVA三相卷绕式非晶配电变压器。经过对运行中测试的数据和参数分析，证实节能效果显著，运行稳定、可靠；具有温升低，抗过载能力强的特点。•1995年8月，天津、上海、北二变、佛山、辽阳和保定等六个变压器厂，试制出SHll—160、200、315、500kVA四种规格共六台样机，并通过国家鉴定。•1998年2月，上海置信公司引进美国GE公司的非晶变压器制造技术和非晶变压器生产线正式签约，成为国内唯一既能制造非晶合金变压器铁心又能生产非晶变压器的企业。•中机联供于2006年2月10日投产3000t产能的非晶配电变压器铁心生产线，成为我国继置信电气之后能够规模化生产非晶铁心的企业。4非晶合金变压器的简介用非晶合金作为铁心的非晶合金干式变压器是一种新型节能变压器。更关键的是：在安装过程中为了不损坏非晶铁心的性能，除了必要的支撑，不能对其施加别的力，这对控制铁心的振动噪声是很不利的。如不采取特殊的降噪措施，噪声问题将严重制约该产品在市场上的竞争力。非晶合金干变10%75%80%空载电流空载损耗磁致伸缩程度4非晶合金变压器结构简介非晶合金铁心是由许多的非晶合金片采用特殊的工艺方法而迭成的卷铁心。4非晶合金变压器结构简介非晶合金带材受到机械力可分为静态应力和动态应力。经研究证明，动态应力易控制，静态应力要妥善考虑结构的支撑作用以减少静态应力。机械力静态应力由铁心自身的重量和套装绕组时相应产生的力，妥善设计器身结构，可使静态应力降至最低水平。难解决动态应力绕组受短路电流后产生的冲击力只需要使低压绕组保持稳固，以降低铁心的受力易解决5非晶合金变压器振动噪声仿真研究5.1几何模型5.1整体几何模型5.2仿真结果•采用AC/DC模块-结构力学模块-声学模块三场耦合模拟•AC/DC模块感应电流（emqav）•结构力学模块实体，应力-应变（smsld）•声学模块声压（acpr）5.2.1AC/DC模块——emqav输入的外部电流：Js11e6*sin(100*pi*t[1/s]-2/3*pi)[A/m^2]Js21e6*sin(100*pi*t[1/s])[A/m^2]Js31e6*sin(100*pi*t[1/s]+2/3*pi)[A/m^2]5.2.1AC/DC模块——emqav•计算收敛性5.2.1AC/DC模块——emqav5.2.1AC/DC模块——总电流5.2.1AC/DC模块——电流•由于感应电流的产生，使得总电流不等于外部电流。通过修改绕组的导电率等参数，得到合适的外部电流。5.2.1AC/DC模块——磁通密度•磁通密度（非晶干变的设计磁密为1.19左右）5.2.1AC/DC模块——磁通密度•磁通密度5.2.1AC/DC模块——洛伦兹力5.2.2结构力学模块•铁心求解域设置载荷为：FxJy_emqav*Bz_emqav-Jz_emqav*By_emqavFyJz_emqav*Bx_emqav-Jx_emqav*Bz_emqavFzJx_emqav*By_emqav-Jy_emqav*Bx_emqav5.2.2结构力学模块•设置边界条件为：约束z方向的位移5.2.2结构力学模块非晶干变铁心外框振动加速度测试实验测点分布5.2.2结构力学模块——振动加速度仿真数值123456789101112测点振动加速度振动试验数值123456789101112测点振动加速度非晶干变铁心Y轴振动加速度(m/s^2)测点实验值计算值10.0470.012820.0200.01130.01030.010640.0240.012250.0660.0165.2.2结构力学模块——振动加速度计算的加速度值较实验所得的数值小，原因：1总电流较小导致磁密较小产生的洛伦兹力较小。2卷铁心外框是一层硅钢片，容易脱离非晶合金，导致其表面的振动较大。实验测试时，加速度传感器是放置在硅钢片上。3未考虑磁致伸缩。5.2.3声学模块铁心表面边界设置为：-K_smsld*evol_smsld（压力源）K_smsld——体积模量evol_smsld——体积应变5.2.3声学模块5.2.3声学模块感谢聆听！Thanksforyourtime！