變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析

1 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。

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：

其中假設(shè)F和u做簡(jiǎn)諧變化，則：

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：

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：

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。

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

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：

Figure.材料設(shè)定

② 施加激勵(lì)、求解計(jì)算：

Figure.激勵(lì)加載&求解設(shè)置

③ 后處理：

Figure.后處理設(shè)置

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。

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

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

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。

⑤ 后處理：

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。

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。

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)。

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。

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。

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)。

通過(guò)上述曲線，發(fā)現(xiàn)側(cè)面聲壓最大時(shí)為300Hz。

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

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。