Comsol三相电力变压器电磁-声-固耦合计算

电子F430 | 供稿

小苏 | 编辑

赵佳乐 | 审核

“变压器电磁-声-固耦合”

1.1 电磁原理

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感效应，变换电压，电流和阻抗的器件。

变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2,但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。

1.2 变压器噪声

变压器声音的产生主要是由于电磁感应和机械振动。变压器噪声是由本体结构设计、选型布局、安装、使用过程中，变压器本体及冷却系统产生的不规则、间歇、连续或随机引起的机械噪声及空气噪声总和。变压器所产生的噪声广泛影响住宅小区、商业中心、轻站、机场、厂矿、企业、医院、学校等场所。具体来说，变压器噪声共有三个声源，一是铁心，二是绕组，三是冷却器，即空载、负载和冷却系统引起噪声之和。铁心产生噪声原因是构成铁心硅钢片交变磁场作用下，会发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率变化做周期性振动，铁心磁致伸缩变形和绕组、油箱及磁屏蔽内电磁力所引起。绕组产生振动原因是电流绕组中产生电磁力，漏磁场也能使结构件产生振动。电磁噪声产生原因是磁场诱发铁心叠片沿纵向振动产生噪声，该振动幅值与铁心叠片中磁通密度及铁心材质磁性能有关，而与负载电流关系不大。电磁力(和振动幅值)与电流平方成正比，而发射声功率与振动幅值平方成正比。

1.3 变压器铁芯变形

变压器铁芯变形的原因‌主要包括机械力和电动力的作用。变压器在运行过程中会承受各种短路冲击，尤其是出口短路，这会导致绕组变形、鼓包和匝间短路等问题‌。此外，变压器在运输和安装过程中也可能受到碰撞冲击，造成扭曲、断股、移位和松脱等现象‌。‌变压器铁芯变形的检测方法‌可以通过频率响应分析法（FRA）来进行。该方法通过测量变压器的频率响应特性，分析其内部结构的变化。‌

“物理建模”

根据某品牌厂家提供的三相电力变压器尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置三相电力变压器各个部分材料的电导率、相对介电常数、相对磁导率、密度、泊松比、杨氏模量和声速，为保证结果准确性，材料参数从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

（图2. 几何模型）

（图3. 材料参数）

“物理边界条件”

固体力学边界条件

（1）线弹性材料选择铁芯材料，初始应变来源电磁力；

（2）铁芯表面默认选择自由边界；

（3）位移场和结构速度场初始值均为0；

（4）变压器铁芯中心表面设置固定约束边界。

压力声学-瞬态边界条件

（1）瞬态压力声学模型选择所有域材料；

（2）硬声场边界（壁）默认选择所有域边界；

（3）声压和声压一阶时间导数初始值为0；

（4）铁芯表面设置内部法向加速度，加速度来源固态力学加速度；

（5）所有外部边界设置球面波辐射，辐射场源几何位置为原点（0,0,0）；

（6）所有边界设置外场计算。

电磁场边界条件

（1）铁芯设置安培定律-BH曲线，其余部分设置安培定律相对磁磁导率；

（2）外部边界设置磁绝缘；

（3）磁矢势初始值为0；

（4）三相变压器绕组设置线圈电压激励，各相间相位差120°。

（图4. 物理场边界条件）

根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，计算结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用四面体网格、扫略网格和边界层网格对三相电力变压器模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

（图5. 计算网格）

“结果展示”

采用瞬态3个周期（周期T=0.02s，步长T/20）全耦合求解器进行求解，通过计算得到三相电力变压器电磁-声-固物理场分布如下图所示。