- 頭條渦流對中頻變壓器箔式繞組的電磁振動影響顯著2019-12-30 作者：張新生、肖飛、王瑞田、范學鑫、楊國潤 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員張新生、肖飛、王瑞田、范學鑫、楊國潤，在2018年《電工技術學報》增刊2上撰文（論文標題為“考慮渦流的中頻變壓器箔式繞組電磁振動數值計算與分析”）指出，在應用于直流微網、艦船直流區域配電等獨立電網領域的隔離型直流變換器中，中頻變壓器繞組是主要振源之一，需要分析其產生機理及分布規律。本文建立考慮渦流的中頻變壓器箔式繞組電磁振動仿真計算模型。 首先仿真分析箔式繞組電流密度的二維分布規律以優化網格劃分，并通過三維模型計算了箔式繞組的電磁力；研究了箔式繞組的自由振動模態及其影響因素；在此基礎上針對25kW中頻變壓器建立了箔式繞組電磁-結構順序耦合模型，考慮了中頻非正弦輸入時渦流對電磁力分布的影響，實驗測量與仿真振動加速度響應的平均誤差約為1.3dB。本文工作為非正弦供電中頻變壓器的電磁振動預測及分析奠定了基礎。
在應用于直流微網、艦船直流區域配電等獨立電網領域的隔離型直流變換器中，變壓器的體積、質量、損耗約占變換器的20%～40%，而且是主要的電磁振源。變壓器振動不僅降低了設備自身的可靠性，也影響了獨立電網的穩定運行。
為了降低變壓器的體積、質量，提高變換器功率密度，須提高變壓器工作頻率，一般為中頻，這使得銅箔內的電流密度分布受到渦流的顯著影響。為了滿足電流需求，中頻變壓器廣泛采用了箔式繞組，如圖1a所示。同時，工作在電力電子場合下的隔離變壓器大多是非正弦供電的。
圖1 箔式繞組和餅式繞組
早在20世紀20年代，國外一些大型變壓器廠商和相關機構就開始了對變壓器振動噪聲問題的研究，其中對鐵心磁致伸縮等因素引起的振動研究在國內外已經十分豐富，對變壓器繞組振動的研究也逐步發展。
文獻[10]最早提出了彈簧-質塊的餅式繞組（如圖1b所示）集中質量模型。文獻[11,12]在文獻[10]數學模型的基礎上分析了變壓器短路時繞組的軸向振動特性，討論了不同預緊力下線餅軸向振動的規律。文獻[13]基于集中參數模型和Ansys軟件建立了餅式繞組的有限元磁-機械耦合模型，模型特別考慮絕緣墊塊的非線性力學特性。
文獻[14]對油浸式變壓器進行了磁場-機械-聲場的三維有限元分析，分析了變壓器鐵心和繞組的受力情況與變壓器周圍電磁振動噪聲的分布，但未對繞組進行精細建模。
目前，對變壓器繞組振動的研究方法主要有集中參數模型和有限元兩種。現有的餅式繞組“質量-彈簧-阻尼”集中參數軸向振動模型采用集中電動力作為載荷，僅能考慮餅式繞組軸向振動，由于箔式繞組與餅式繞組結構存在較大差異，集中質量模型不適用于箔式繞組。而現有的有限元案例通常針對電力變壓器，多以集中力作為載荷，極少采用分布力形式，但尚未見到考慮渦流的電磁振動分析。
本文主要研究考慮渦流的中頻變壓器箔式繞組電磁振動仿真計算模型。在考慮渦流對箔式繞組影響的基礎上，采用有限元方法建立了箔式繞組的電磁-結構順序耦合仿真模型，完成了箔式繞組在1kHz非正弦激勵下的電磁振動的全過程仿真分析。此外，在電磁分析、模態分析和振動分析三個關鍵環節分別設計實驗，以驗證仿真結果。由于變壓器鐵心與繞組機械振動耦合情況復雜，為簡化分析，本文暫未考慮鐵心對繞組振動的影響。
圖10 模態測試平臺及測點位置
圖18 振動實驗平臺
圖19 測點位置
結論
本文基于三維有限元方法對中頻變壓器箔式繞組的電磁力、模態以及振動響應進行了分析，主要得出以下結論：
1）為了準確計算中頻變壓器箔式繞組電磁力，需考慮渦流引起的電磁力空間分布情況；根據中頻變壓器繞組電流密度分布規律優化網格劃分，可以在保證計算精度的前提下大幅減少計算時間；由于電磁力難以直接實驗驗證，本文通過繞組端口交流阻抗的測量間接驗證了電磁力計算結果的準確性。
2）計算了箔式繞組的固有頻率和振型。本文研究工作表明，繞組絕緣材料彈性模量及浸漆工藝是影響固有頻率的重要因素。
3）針對25kW中頻變壓器，建立了箔式繞組的順序耦合電磁-結構振動仿真模型。與加速度幅值實測結果的平均值對比可知：考慮渦流的模型計算結果相對誤差約為1.3dB；不考慮渦流的模型相對誤差約為5dB。因此，中頻變壓器箔式繞組渦流對其電磁振動影響顯著。
4）通過正弦掃頻實驗分析可知，箔式繞組產生共振的兩個條件為：電磁力頻率（激勵電流倍頻）接近固有頻率；電磁力的方向與模態振型位移方向相接近。
本文為考慮渦流影響的中頻變壓器箔式繞組振動研究提供了一種有限元建模方法，為后續中頻變壓器鐵心和繞組耦合振動研究奠定了基礎。
