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詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析

發(fā)布時(shí)間:2019-12-23 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著市場(chǎng)需求嚴(yán)苛程度不斷提高,變壓器容量增大,其運(yùn)行穩(wěn)定性成為了用戶關(guān)注度極高的問(wèn)題。變壓器性能包括散熱、噪聲、振動(dòng)、抗短路能力等眾多因素,變壓器作為電站主要設(shè)備之一,并且是變電站主要噪聲源設(shè)備是研究的重點(diǎn),因此變壓器的噪聲問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)。
  
引言
隨著市場(chǎng)需求嚴(yán)苛程度不斷提高,變壓器容量增大,其運(yùn)行穩(wěn)定性成為了用戶關(guān)注度極高的問(wèn)題。變壓器性能包括散熱、噪聲、振動(dòng)、抗短路能力等眾多因素,變壓器作為電站主要設(shè)備之一,并且是變電站主要噪聲源設(shè)備是研究的重點(diǎn),因此變壓器的噪聲問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)。本文中根據(jù) GB/T 1094.10 變壓器聲級(jí)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合變壓器額定負(fù)載運(yùn)行工況,基于 ANSYS Workbench 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了變壓器噪聲分析,從而在噪聲產(chǎn)生機(jī)理上進(jìn)行深入研究,不僅可以在變壓器設(shè)計(jì)階段預(yù)估噪聲值,還可以為有效降低變壓器噪聲提供科學(xué)依據(jù)。
  
2 噪聲分析理論基礎(chǔ)
2.1 電磁分析基礎(chǔ)
電磁場(chǎng)理論由麥克斯韋方程組(如下圖所示)來(lái)描述。求解方法上,數(shù)值法優(yōu)于解析法,近年來(lái)電磁場(chǎng)數(shù)值解法在工程及科學(xué)研究上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛和高效。電磁場(chǎng)的數(shù)值分析和計(jì)算通常歸結(jié)為求微分方程的解,對(duì)于偏微分方程,輔助邊界條件和初始條件即可獲得方程的定解。
 
詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
   
ANSYS Maxwell 采用有限元法,將求解區(qū)域離散化為”單元“,采用 Maxwell 方程進(jìn)行求解。
 
2.2 結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)
通過(guò)電磁場(chǎng)分析得到鐵芯和繞組所受的電磁力分布,對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換,可以得到電磁力各諧波分量的幅值和相位角大小,將其作為簡(jiǎn)諧激勵(lì)源,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析的運(yùn)動(dòng)控制方程為:
 
詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
 
其中假設(shè) F 和 u 做簡(jiǎn)諧變化,則:
 
 詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
 
2.3 噪聲分析基礎(chǔ)
采用聲學(xué)有限元法求解聲學(xué) Helmholtz 方程來(lái)計(jì)算聲場(chǎng)。通過(guò)聲波的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、物態(tài)方程可以推導(dǎo)得到 Helmholtz 波動(dòng)方程,進(jìn)一步通過(guò)傅里葉變換可以得到均勻流體中傳播的基本聲學(xué)方程頻域形式為:
 
 詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
 
計(jì)算變壓器聲場(chǎng)分析需要將結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)速度導(dǎo)入聲學(xué)分析中作為邊界條件,聲學(xué)有限元系統(tǒng)方程形式為:
 
 詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
 
2.4 耦合分析流程
本次分析首先在 MAXWELL 進(jìn)行電磁場(chǎng)分析,求解完成后,對(duì)電磁力進(jìn)行 FFT 變換,在 workbench 平臺(tái)利用耦合功能,將其導(dǎo)入 Mechanical 進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)分析,得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,再將其導(dǎo)入 ANSYS Acoustics 聲學(xué)仿真模塊,求解聲壓波動(dòng)方程,進(jìn)行聲場(chǎng)分析,得到最后的噪聲計(jì)算結(jié)果,并根據(jù) GB/T 1094.10 進(jìn)行評(píng)定。
 
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Figure. 基于 ANSYS Workbench 的聲學(xué)仿真耦合流程
 
3 干式變壓器振動(dòng)噪聲分析
 
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Figure. 變壓器三維模型圖
 
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Figure. 噪聲分析耦合流程圖
 
3.1 電磁場(chǎng)分析  
將變壓器的電磁模型導(dǎo)入 Maxwell,給定鐵芯、繞組的材料,設(shè)定好額定工況的激勵(lì)、邊界條件、求解參數(shù),即可進(jìn)行求解。設(shè)定好的繞組激勵(lì)如下圖所示:
   
1 設(shè)定鐵芯、繞組材料:
 
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Figure. 材料設(shè)定
   
2 施加激勵(lì)、求解計(jì)算:
 
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Figure. 激勵(lì)加載&求解設(shè)置
   
3 后處理:
 
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Figure. 后處理設(shè)置
 
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Figure. 電磁力密度
 
3.2 結(jié)構(gòu)分析
在 mechanical 中進(jìn)行分析前,首先根據(jù)提供的材料在 Engineer Data 中輸入材料數(shù)據(jù),由于諧響應(yīng)分析是線性分析類型,并且變壓器結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中也不允許超出屈服強(qiáng)度,因此此處以線彈性材料進(jìn)行簡(jiǎn)化輸入。網(wǎng)格劃分過(guò)程中,實(shí)體單元以四面體、六面體混合。根據(jù)實(shí)際工作,掃頻范圍設(shè)置為 0~1000Hz。加載時(shí),根據(jù)變壓器實(shí)際安裝位置,將下部的底座框架施加固定約束。具體操作如下:
  
1 網(wǎng)格劃分:針對(duì)模型不同部件,Mesh 下插入 Body Sizing,指定尺寸,生成網(wǎng)格。
 
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Figure. 網(wǎng)格劃分操作設(shè)置
 
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Figure. 變壓器網(wǎng)格劃分
  
2 邊界條件:根據(jù)實(shí)際工作情況,將底部進(jìn)行全約束。在 Harmonic Response 處右鍵 insert 插入 fixed support
 
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Figure. 插入邊界條件
 
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Figure. 變壓器邊界條件加載
   
3 分析設(shè)置:此處根據(jù)前述分析,將頻率區(qū)間設(shè)置為 0~1000Hz
 
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Figure. 分析設(shè)置
   
4 導(dǎo)入電磁力:在 Import Load 處,鼠標(biāo)右鍵 Insert,選擇 Surface Force Density,選擇需要導(dǎo)入電磁力的部件,Surface Force Density 右鍵選擇 import Load,即可導(dǎo)入。
 
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Figure. 導(dǎo)入電磁力設(shè)置
 
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Figure. Import 電磁力
   
5 后處理:
 
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Figure. 后處理插入速度設(shè)置
 
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Figure. 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度云圖
 
3.3 噪聲分析
噪聲分析利用 ANSYS 專業(yè)噪聲仿真模塊 Acoustics。噪聲分析需要輸入聲音在介質(zhì)中的傳播速度及介質(zhì)密度等參數(shù),此處介質(zhì)為空氣,在 Engineer Data 中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。噪聲分析由于主要分析聲音在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象,因此需要設(shè)置空氣域。由于變壓器與空氣接觸部分幾何復(fù)雜,因此對(duì)空氣域采用四面體網(wǎng)格劃分方式。基于 ANSYS Workbench 耦合平臺(tái),將上一步諧響應(yīng)分析計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度導(dǎo)入噪聲分析中,作為激勵(lì)源。通過(guò)計(jì)算可以得到不同頻率下的聲壓情況,由于輸入正弦激勵(lì),頻率為 50Hz,而一次交流過(guò)程中會(huì)有兩次信號(hào)達(dá)到峰值,因此振動(dòng)分析的基礎(chǔ)頻率為 100Hz。因此可以查看 100,200,300 等倍頻噪聲情況,此分析中僅截止到 1000Hz。計(jì)算完成后,根據(jù) GB/T 1094.10 變壓器聲級(jí)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn),后處理中提取相關(guān)輪廓線處 A 計(jì)權(quán)聲壓,并計(jì)算平均值,得到最終結(jié)果。
   
 
1 模型處理:進(jìn)行聲場(chǎng)分析,首先需要建立空氣域,在 Design Modeler 中利用 Enslosure 功能可以插入空氣域,同時(shí)指定空氣域大小即可。
 
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Figure. 插入空氣域
 
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Figure. 空氣域的建立
 
2 網(wǎng)格劃分:由于空氣域形狀復(fù)雜,此處以四面體方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,此類特征的幾何模型適合采用 Patch Independent 算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此處 Max Element Size 指定為 250mm。
 
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Figure. 網(wǎng)格劃分設(shè)置
 
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Figure. 空氣域網(wǎng)格劃分
 
3 邊界條件:右鍵單擊 Import Load 選擇 Insert,插入 Velocity,插入諧響應(yīng)分析中計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為聲場(chǎng)分析激勵(lì)。
 
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Figure.Import Load 設(shè)置
 
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Figure. 導(dǎo)入所有頻段的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度
 
4 分析設(shè)置:進(jìn)行聲場(chǎng)分析前,需要選擇聲場(chǎng)區(qū)域。在 Harmonic Acoustics 處右鍵單擊,選擇 Insert,選擇 Physics Region,選擇我們繪制的聲場(chǎng)區(qū)域。
 
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Figure. 插入聲場(chǎng)區(qū)域設(shè)置
 
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Figure. 生成的聲場(chǎng)區(qū)域
 
5 后處理:求解計(jì)算完成后,在 Solution 右鍵單擊,選擇 Insert,選擇 Acoustics,選擇我們關(guān)心的結(jié)果即可。
 
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Figure. 后處理設(shè)置
 
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Figure. 100Hz 聲壓分布(前后面)
 
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Figure. 100Hz 聲壓分布(左右面)
 
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Figure. 不同頻率下聲壓變化曲線(前后面最大聲壓)
 
通過(guò)上述曲線,發(fā)現(xiàn)前后面聲壓最大發(fā)生在 400Hz 時(shí)。
 
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Figure. 400Hz 時(shí)前后面聲壓分布
 
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Figure. 不同頻率下聲壓變化曲線(側(cè)面最大聲壓)
 
通過(guò)上述曲線,發(fā)現(xiàn)側(cè)面聲壓最大時(shí)為 300Hz。
 
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Figure. 300Hz 時(shí)側(cè)面聲壓分布
 
根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求,提取輪廓線處的聲壓,并取平均值。
 
表格 13 各點(diǎn)聲壓值
 
 詳解變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析
 
結(jié)果說(shuō)明
①通過(guò)噪聲分析,發(fā)現(xiàn)變壓器在工作時(shí),前后面的聲壓分布趨勢(shì)基本一致,側(cè)面的聲壓分布趨勢(shì)基本一致,最大值略有差異。
 
②通過(guò)噪聲分析,發(fā)現(xiàn)該變壓前后面的最大 A 計(jì)權(quán)聲壓為 58dB,側(cè)面最大 A 計(jì)權(quán)聲壓為 50dB。
 
③通過(guò)噪聲分析后處理,300Hz 平均聲壓為 50.4dB,400Hz 平均聲壓為得到平均為 50.8dB。
 
4 總結(jié)
本文通過(guò)基于 ANSYS Workbench 平臺(tái)的干式變壓器振動(dòng)噪聲仿真,實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其噪聲值進(jìn)行預(yù)估的完整流程,可以幫助企業(yè)在探究變壓器噪聲的機(jī)理上,對(duì)產(chǎn)品及時(shí)做出改進(jìn),響應(yīng)市場(chǎng),提高競(jìng)爭(zhēng)力。
 
 
 
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