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浅析涡流对中频变压器箔式绕组的电磁振动影响

2019-05-20 14:56 来源:互联网 编辑:Angelina

本文建立考虑涡流的中频变压器箔式绕组电磁振动仿真计算模型。

首先仿真分析箔式绕组电流密度的二维分布规律以优化网格划分,并通过三维模型计算了箔式绕组的电磁力;研究了箔式绕组的自由振动模态及其影响因素;在此基础上针对25kW中频变压器建立了箔式绕组电磁-结构顺序耦合模型,考虑了中频非正弦输入时涡流对电磁力分布的影响,实验测量与仿真振动加速度响应的平均误差约为1.3dB。本文工作为非正弦供电中频变压器的电磁振动预测及分析奠定了基础。

在应用于直流微网、舰船直流区域配电等独立电网领域的隔离型直流变换器中,变压器的体积、质量、损耗约占变换器的20%~40%,而且是主要的电磁振源。变压器振动不仅降低了设备自身的可靠性,也影响了独立电网的稳定运行。

为了降低变压器的体积、质量,提高变换器功率密度,须提高变压器工作频率,一般为中频,这使得铜箔内的电流密度分布受到涡流的显著影响。为了满足电流需求,中频变压器广泛采用了箔式绕组,如图1a所示。同时,工作在电力电子场合下的隔离变压器大多是非正弦供电的。

浅析涡流对中频变压器箔式绕组的电磁振动影响

图1  箔式绕组和饼式绕组

早在20世纪20年代,国外一些大型变压器厂商和相关机构就开始了对变压器振动噪声问题的研究,其中对铁心磁致伸缩等因素引起的振动研究在国内外已经十分丰富,对变压器绕组振动的研究也逐步发展。

最早提出了弹簧-质块的饼式绕组(如图1b所示)集中质量模型。在数学模型的基础上分析了变压器短路时绕组的轴向振动特性,讨论了不同预紧力下线饼轴向振动的规律。基于集中参数模型和Ansys软件建立了饼式绕组的有限元磁-机械耦合模型,模型特别考虑绝缘垫块的非线性力学特性。

对油浸式变压器进行了磁场-机械-声场的三维有限元分析,分析了变压器铁心和绕组的受力情况与变压器周围电磁振动噪声的分布,但未对绕组进行精细建模。

目前,对变压器绕组振动的研究方法主要有集中参数模型和有限元两种。现有的饼式绕组“质量-弹簧-阻尼”集中参数轴向振动模型采用集中电动力作为载荷,仅能考虑饼式绕组轴向振动,由于箔式绕组与饼式绕组结构存在较大差异,集中质量模型不适用于箔式绕组。而现有的有限元案例通常针对电力变压器,多以集中力作为载荷,极少采用分布力形式,但尚未见到考虑涡流的电磁振动分析。

本文主要研究考虑涡流的中频变压器箔式绕组电磁振动仿真计算模型。在考虑涡流对箔式绕组影响的基础上,采用有限元方法建立了箔式绕组的电磁-结构顺序耦合仿真模型,完成了箔式绕组在1kHz非正弦激励下的电磁振动的全过程仿真分析。此外,在电磁分析、模态分析和振动分析三个关键环节分别设计实验,以验证仿真结果。由于变压器铁心与绕组机械振动耦合情况复杂,为简化分析,本文暂未考虑铁心对绕组振动的影响。

浅析涡流对中频变压器箔式绕组的电磁振动影响

图2 模态测试平台及测点位置

浅析涡流对中频变压器箔式绕组的电磁振动影响

图3 振动实验平台


浅析涡流对中频变压器箔式绕组的电磁振动影响

图4 测点位置

结论

本文基于三维有限元方法对中频变压器箔式绕组的电磁力、模态以及振动响应进行了分析,主要得出以下结论:

1)为了准确计算中频变压器箔式绕组电磁力,需考虑涡流引起的电磁力空间分布情况;根据中频变压器绕组电流密度分布规律优化网格划分,可以在保证计算精度的前提下大幅减少计算时间;由于电磁力难以直接实验验证,本文通过绕组端口交流阻抗的测量间接验证了电磁力计算结果的准确性。

2)计算了箔式绕组的固有频率和振型。本文研究工作表明,绕组绝缘材料弹性模量及浸漆工艺是影响固有频率的重要因素。

3)针对25kW中频变压器,建立了箔式绕组的顺序耦合电磁-结构振动仿真模型。与加速度幅值实测结果的平均值对比可知:考虑涡流的模型计算结果相对误差约为1.3dB;不考虑涡流的模型相对误差约为5dB。因此,中频变压器箔式绕组涡流对其电磁振动影响显著。

4)通过正弦扫频实验分析可知,箔式绕组产生共振的两个条件为:电磁力频率(激励电流倍频)接近固有频率;电磁力的方向与模态振型位移方向相接近。

本文为考虑涡流影响的中频变压器箔式绕组振动研究提供了一种有限元建模方法,为后续中频变压器铁心和绕组耦合振动研究奠定了基础。

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