變壓器振動(dòng)噪聲仿真分析

    隨著(zhù)市場(chǎng)需求嚴苛程度不斷提高，變壓器容量增大，其運行穩定性成為了用戶(hù)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備之一，并且是變電站主要噪聲源設備是研究的重點(diǎn)，因此變壓器的噪聲問(wèn)題一直是設計人員關(guān)注的重點(diǎn)。本文中根據GB/T 1094.10變壓器聲級測定標準，結合變壓器額定負載運行工況，基于A(yíng)NSYS Workbench平臺實(shí)現了變壓器噪聲分析，從而在噪聲產(chǎn)生機理上進(jìn)行深入研究，不僅可以在變壓器設計階段預估噪聲值，還可以為有效降低變壓器噪聲提供科學(xué)依據。

2 噪聲分析理論基礎

2.1電磁分析基礎

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，數值法優(yōu)于解析法，近年來(lái)電磁場(chǎng)數值解法在工程及科學(xué)研究上的應用也越來(lái)越廣泛和高效。電磁場(chǎng)的數值分析和計算通常歸結為求微分方程的解，對于偏微分方程，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，將求解區域離散化為”單元“，采用Maxwell方程進(jìn)行求解。

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)諧激勵源，進(jìn)行結構的諧響應分析。諧響應分析的運動(dòng)控制方程為：

      其中假設F和u做簡(jiǎn)諧變化，則：

      采用聲學(xué)有限元法求解聲學(xué)Helmholtz方程來(lái)計算聲場(chǎng)。通過(guò)聲波的連續方程、運動(dòng)方程、物態(tài)方程可以推導得到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：

      計算變壓器聲場(chǎng)分析需要將結構表面的振動(dòng)速度導入聲學(xué)分析中作為邊界條件，聲學(xué)有限元系統方程形式為：

      本次分析首先在MAXWELL進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，求解完成后，對電磁力進(jìn)行FFT變換，在workbench平臺利用耦合功能，將其導入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，得到最后的噪聲計算結果，并根據GB/T 1094.10進(jìn)行評定。

Figure.變壓器三維模型圖

將變壓器的電磁模型導入Maxwell,給定鐵芯、繞組的材料，設定好額定工況的激勵、邊界條件、求解參數，即可進(jìn)行求解。設定好的繞組激勵如下圖所示：

①  設定鐵芯、繞組材料：

②  施加激勵、求解計算：

③  后處理：

      在mechanical中進(jìn)行分析前，首先根據提供的材料在Engineer Data中輸入材料數據，由于諧響應分析是線(xiàn)性分析類(lèi)型，并且變壓器結構在實(shí)際工作中也不允許超出屈服強度，因此此處以線(xiàn)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。根據實(shí)際工作，掃頻范圍設置為0~1000Hz。加載時(shí)，根據變壓器實(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  分析設置：此處根據前述分析，將頻率區間設置為0~1000Hz

④  導入電磁力：在Import Load處，鼠標右鍵Insert，選擇Surface Force Density，選擇需要導入電磁力的部件，Surface Force Density右鍵選擇import Load，即可導入。

⑤  后處理：

       噪聲分析利用ANSYS專(zhuān)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，此處介質(zhì)為空氣，在Engineer Data中輸入相應數據即可。噪聲分析由于主要分析聲音在介質(zhì)中傳播現象，因此需要設置空氣域。由于變壓器與空氣接觸部分幾何復雜，因此對空氣域采用四面體網(wǎng)格劃分方式�；�于A(yíng)NSYS Workbench耦合平臺，將上一步諧響應分析計算得到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度導入噪聲分析中，作為激勵源。通過(guò)計算可以得到不同頻率下的聲壓情況，由于輸入正弦激勵，頻率為50Hz，而一次交流過(guò)程中會(huì )有兩次信號達到峰值，因此振動(dòng)分析的基礎頻率為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。計算完成后，根據GB/T 1094.10變壓器聲級測定標準，后處理中提取相關(guān)輪廓線(xiàn)處A計權聲壓，并計算平均值，得到最終結果。

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：由于空氣域形狀復雜，此處以四面體方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此類(lèi)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，插入諧響應分析中計算得到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為聲場(chǎng)分析激勵。

④    分析設置：進(jìn)行聲場(chǎng)分析前，需要選擇聲場(chǎng)區域。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)區域。

⑤    后處理：求解計算完成后，在Solution右鍵單擊，選擇Insert，選擇Acoustics，選擇我們關(guān)心的結果即可。

通過(guò)上述曲線(xiàn)，發(fā)現前后面聲壓最大發(fā)生在400Hz時(shí)。

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

根據實(shí)際試驗要求，提取輪廓線(xiàn)處的聲壓，并取平均值。

表格13 各點(diǎn)聲壓值

①通過(guò)噪聲分析，發(fā)現變壓器在工作時(shí)，前后面的聲壓分布趨勢基本一致，側面的聲壓分布趨勢基本一致，最大值略有差異。結果說(shuō)明

②通過(guò)噪聲分析，發(fā)現該變壓前后面的最大A計權聲壓為58dB，側面最大A計權聲壓為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

   本文通過(guò)基于A(yíng)NSYS Workbench平臺的干式變壓器振動(dòng)噪聲仿真，實(shí)現了在產(chǎn)品設計階段對其噪聲值進(jìn)行預估的完整流程，可以幫助企業(yè)在探究變壓器噪聲的機理上，對產(chǎn)品及時(shí)做出改進(jìn)，響應市場(chǎng)，提高競爭力。