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仿真 App 推动变压器行业的发展

发布时间:2018/4/9 发布人:管理员

不论是烧饭做菜还是给手机充电,我们每天的生活都离不开由电网为住宅、公司及学校等各类建筑提供的能源。这个复杂网络包括发电站、长距离电力传输高压线、为每户家庭及社区供电的配电线路,以及用于过电保护及控制相关的硬件。

这其中就包括用于增加及降低交流电输电线路中电压等级的电力变压器(见图1)。电压越高,功率传输时的损耗越低,所以高电压更适合长距离功率输送。但这种高压等级会给输电线的两端带来潜在的安全威胁,因此需要通过变压器来增加电源馈入点的电压,降低街区及建筑物周围的电压。

然而,变压器会发出噪声,人们在它附近会听到微弱的嗡鸣声。根据相关法规,设备的噪声级必须维持在安全范围内。虽然我们无法制造出完全静音的设备,但可以通过优秀的产品设计来尽量降低这类噪声的影响。

总部位于瑞士苏黎世的ABB集团是全球最大的变压器制造商之一,公司正通过数值分析和计算App来预测和最小化变压器中的噪声等级。他们借助COMSOL Multiphysics®仿真软件和App开发器来运行虚拟设计检查、测试各种配置,并通过基于模型开发的定制用户界面来部署仿真结果。

降低来自多个源头的噪声

变压器的噪声通常有多个源头,例如变压器铁芯或冷却系统内辅助风扇和泵的振动。为了更好地降低噪声,每个噪声源都需要进行不同方式的单独处理。

ABB变压器中包括一个金属铁芯、缠绕于金属铁芯各段的线圈绕组、用于保护这些元件的外壳或箱子,以及外壳内的绝缘油(见图2上)。当交流电通过其中一个线圈绕组时,会产生磁通量,并在相邻线圈中产生感应电流。电压的调节可以通过改变线圈匝数实现。

制造铁芯的钢是一种磁致伸缩材料,这些方向交变的磁通量会造成机械应变,金属的快速膨胀与收缩产生振动。当这些振动通过绝缘油和用于固定内部铁芯的装夹点传递到外壳壁处时,会发出一种能被人耳捕捉到的嗡嗡声,即铁芯噪声(见图2下)。

图2.左上:三相变压器中器身装配的CAD模型,绕组环绕铁心安装。右上:在装有绝缘油的外壳中安装电力变压器的器身装配。下:发出铁芯噪声及载荷噪声的能量转换链(铁芯的磁致伸缩和绕组中的洛伦兹力)。图注:Energy Conversion Chain–能量转换链;Power Supply–功率输入;Electromagnetic System–电磁系统;Magnetostrictive & Lorentz Force–磁致伸缩与洛伦兹力;Mechanical System–机械系统;Displacement–位移;Acoustic Noise–噪声;Power Transformer–电力变压器

除铁芯噪声外,线圈中的交流电还会在各个绕组内产生洛仑兹力,造成振动,即载荷噪声,并以机械能的形式传递到外壳。

由于存在多个噪声源,同时还涉及相互关联的电磁、声学和力学等因素,瑞典威斯特劳斯市(Västerås,Sweden)的ABB集团研发中心(ABB Corporate Research Center, ABB CRC)的工程师们只有充分理解了变压器的内部工作原理,才能优化变压器的设计,将鸣扰降至最低。

声学、力学和电磁效应的全耦合

“我们选择使用COMSOL Multiphysics进行研究,是因为它能够将多个物理场轻松地耦合在一起。”ABB集团研发中心的科学家Mustafa Kavasoglu说,“因为项目需要模拟电磁学、声学和力学,而COMSOL®支持在单一环境下求解这三个物理场,所以它是我们的最佳选择。”

由ABB集团研发中心的Kavasoglu、首席科学家Anders Daneryd博士和首席工程师Romain Haettel博士组成的团队正在研究变压器声学。他们的目标是通过开发一系列的仿真与计算App来计算变压器铁芯和绕组(参见图3左)中产生的磁通量、绕组中的洛伦兹力(见图3右)、磁致伸缩应变引起的机械位移,以及声波传播通过外壳时产生的声压级。

他们与ABB变压器业务部进行了密切合作。为了满足业务需求与相关要求,项目时常需要借助知名电力变压器专家Christoph Ploetner博士的经验与专长。

在其中一个仿真项目中,他们模拟了铁芯在磁致伸缩影响下发出的噪声。团队首先通过电磁模型预测了由交流电感应出的磁场,然后分析了钢中的磁致伸缩应变。

他们的几何设定中包括钢制铁芯、绕组以及用于表征外壳的外部域。“我们从磁致伸缩的应变结果得到了位移,然后通过模态分析计算了不同频率下的谐振。”Kavasoglu说(见图4),“磁致伸缩应变很容易激励出谐振,并会放大这些频率下的振动。”

金湖棋牌 由此,他们将能够预测声音在绝缘油中的传波,并计算它在外壳中引发的振动,以此计算传到周围环境中的声辐射

他们还模拟了造成载荷噪声的线圈绕组的位移,并确定了由此产生的声场在外壳壁造成的表面压力

他们还通过参数化研究分析了设计参数(比如外壳厚度和材料属性)与产生的变压器鸣扰之间的复杂关系,据此调整了几何、铁芯、绕组和外壳的设定,希望能尽量降低噪声。

金湖棋牌 在全公司推广仿真

集团研发中心的研究团队持续使用COMSOL软件加深他们的理解,并改进模型,还希望将自己的知识带给ABB集团的其他设计人员以及整个业务部门。他们利用COMSOL Multiphysics中的App开发器将多物理场模型转化为App,并根据各部门的需求轻松地进行定制。

这些仿真App简化了设计人员和研发工程师的测试与验证工作。“一直以来,设计师们使用的设计工具都是基于统计数据和验证模型。我们通过部署仿真App弥补了这一不足。借助我们在App开发器中制作的用户界面,他们无需学习有限元理论也能独立运行有限元分析。”Haettel解释说。

图7中的App用于计算变压器铁芯的特征频率,如果在可听阈内则意味着会造成噪声问题。App中包括在COMSOL®软件中开发的物理场模型,以及在App 开发器中由Java®代码定制开发的方法。

“我们的设计人员可以通过标准电子表单处理日常开发工作。但是在引入新设计或其他几何尺寸时,这一方法就会遇到问题,例如错误的输出结果表明噪声级数据还不够准确。如果还需要结合其他方法来降低变压器的整体噪声,那成本将变得很高。”Haettel继续说。

“除了成本因素,还有时间方面的考虑。新的App工具集成了有限元代码的精度优势,从而使设计人员的工作更加简单高效。”

金湖棋牌 用户可以很方便地在定制App中查看由于特定几何、材料属性和其他设计参数组合造成的变压器鸣扰。“我们慎重地选出了允许用户访问的参数,主要是一些最重要的参数。”Kavasoglu补充道。

金湖棋牌 鉴于ABB需要为多个工业应用领域设计变压器,这种灵活性将给他们的设计与虚拟测试带来极大的便利。“ABB需要针对各行业的需求生产变压器。我们当前主要研究了电力公司中常用的、负责为整个城市输送和分配电力的大型交流电力变压器。”他解释说。

“不过,我们的工作可以适用于任何类型的变压器中,而且我们还可以根据收到的请求来修改App,满足他们的具体需求。这也使我们能够轻松地进行其他研发工作。App开发器简化了知识与技能的传递。”

“我们还通过COMSOL Server™ 许可证将用于测试的App分发给其他办公室,轻松实现共享。这种全球许可证非常实用;作为一家全球化公司,我们希望位于世界各地的用户都能从这些App中获益。”仿真专家可以通过在本地安装的COMSOL Server管理并部署他们的App,用户则能通过客户端或网络浏览器进行访问。

该团队目前正努力开发另一个用来计算载荷噪声的App。在业务部门中,该App将进一步简化繁琐的计算工作;与此同时,设计人员和销售工程师无需设置底层的精细模型就可以进行虚拟测试。这使得ABB能更快、更轻松地制造出全世界最好的变压器。

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