一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，通过采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，构建变压器三维几何网格模型；将三维几何网格模型导入软件中，将相位相差120度的正弦电流分别施加于三相低压绕组截面，并对结构网格模型外侧施加狄里克莱边界条件；采用虚位移法求解瞬态电磁场，计算磁场储能并采用虚功法计算变压器铁心和绕组所受瞬时电磁力，对瞬时电磁力进行FFT变换，得到铁芯的电磁力频域分布。本发明专利技术的计算方法较为直接和方便，从能量的角度分析变压器铁芯电磁振动受力情况，全面考虑了铁芯受力的各影响因素，计算结果准确可靠。

A method for calculating electromagnetic force of transformer core based on finite element method

The invention discloses a method for calculating the electromagnetic force of transformer core based on finite element method, the structure parameters of transformer core and windings, collecting tank, construction of transformer 3D mesh model; 3D geometric mesh model into the software, the phase difference of sinusoidal current 120 degrees respectively applied to the three-phase low-voltage winding section, and applying Dirichlet boundary conditions on the structure of lateral grid model; using the virtual displacement method for solving transient electromagnetic field calculation, magnetic field energy and the virtual calculation of transformer core and windings by transient electromagnetic force, FFT transform of the transient electromagnetic force, electromagnetic force frequency distribution core. The calculation method of the invention is more direct and convenient, and the electromagnetic force of the transformer core is analyzed from the angle of energy, and the influencing factors of the force of the core are comprehensively considered.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变压器电磁振动噪声分析与控制
，具体涉及一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法。
技术介绍
变压器铁芯振动太大可能导致铁芯变形、松动，温升增大，这些情况将严重影响变压器抵御短路电流冲击的能力,影响变压器正常运行，甚至可能引起变压器损坏，同时也影响交流电网的正常运行。变压器噪声主要来源于变压器铁芯的电磁振动，研究变压器铁芯的电磁受力可为变压器振动控制与结构优化设计提供依据。目前，变压器铁芯电磁振动的研究主要有以下几个方面：(1)变压器铁芯模态振型的研究对变压器铁芯进行大量模拟，求解铁芯的模态共振频率，从而可使变压器避开共振，减少变压器噪声。一些学者利用有限元法分析铁芯叠片结构分层对铁芯的影响，发现采用不同模型来模拟叠片结构对变压器铁芯振动模态的计算结果影响很大。振动模态分析并不能反映变压器产品在实际运行过程中的状态，为了得到更准确可靠的仿真计算，利用有限元法获得大型电力变压器在电磁和结构的耦合振动的模拟。但该方面研究仅限于变压器铁芯的振动模态，未涉及变压器绕组的振动。(2)变压器铁芯电磁-机械耦合数值模型对变压器铁芯磁致伸缩及位移进行了分析计算。考虑磁和磁致伸缩的各向异性，建立变压器三维电磁-结构强耦合数值模型。结合取向硅钢片磁化、磁致伸缩特性的测量结果对变压器铁芯进行磁场分布和振动位移的有限元计算。此方法仅考虑了变压器的磁致伸缩力而忽略了磁阻力的对变压器铁芯的影响，不够全面。(3)其他研究从直流偏磁机理和振动噪声的基本原理入手，研究变压器受直流偏磁影响时的一些基本工作状态，主要针对变压器铁芯在直流偏磁下的振动和噪声问题开展具体的研究，应用有限元商业软件对变压器在直流偏磁下的电场、磁场、结构力场、声场进行耦合计算，并对变压器铁芯进行自由模态分析，求出固有频率和模态振型。该方法主要考虑直流偏磁对变压器铁芯振动的影响，对影响铁芯振动的其他因素研究不够全面。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，铁芯振动的计算较为直接和方便，从能量的角度分析变压器铁芯电磁振动受力情况，全面考虑了铁芯受力的各影响因素，计算结果准确可靠。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，包括以下步骤：1)采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，构建变压器三维几何网格模型；2)将变压器的三维几何网格模型导入AnsoftMaxwell软件中，设置变压器铁芯、绕组和变压器油材料属性；3)三维几何网格模型中的三相低压绕组截面上分别施加相位相差120度的正弦电流，电流平均分布于绕组截面，并对三维几何网格模型外侧施加狄里克莱边界条件；设置待求电磁力参数、仿真时间和仿真间隔时间，在AnsoftMaxwell软件中采用虚位移法求解瞬态电磁场，磁场储能在有限元计算中的表达式为：采用虚功法计算变压器铁心和绕组所受电磁力，瞬时电磁力的计算表达式为：式中W为磁场储能，H为磁场强度，B为磁感应强度，Ω为求导区域，μ为磁导率，A为磁势，x、y、z分别为坐标轴的三个方向；F为瞬时电磁力，W(s,i)为系统的磁场储能，i为建立磁场的电流，s为虚位移，v为求导空间；4)对瞬时电磁力进行FFT变换，得到铁芯的电磁力频域分布。所述步骤1)中结构参数包括高压绕组和低压绕组的内径和外径、铁芯的半径、铁柱高度、铁厄长度以及油箱的长、宽、高。所述步骤1)中构建变压器三维几何网络模型的具体过程为：构建变压器三维几何模型，即将绕组建立为圆柱筒状，将铁芯建立为整体，忽略铁厄和铁柱间的接缝，将油箱简化为长方体，油箱与铁芯、绕组相交以外的部分作为变压器油；再对变压器三维几何模型进行网格划分，完成变压器三维几何网络模型构建。所述步骤2)中材料属性设置时，将铁芯设置为硅钢片材料，并设置铁芯的堆叠系数、密度、磁导率，所述设置铁芯的磁导率即设置铁芯在轧制方向和垂直于轧制方向的非线性B-H磁化曲线；将绕组设置为铜材料，并设置密度、电导率以及设置高压绕组和低压绕组的匝数；将变压器油设置为绝缘油材料，并设置相对电导率、相对磁导率。根据以下公式，采用插值迭代法对铁芯的非线性B-H磁化曲线进行修正：Bσ＝(μ+△μ)H+λσ；其中，△μ表示磁导率修正值，λm为磁饱和情况下的磁致伸缩系数，σ为应力，μ为磁导率，Bm为饱和磁感应强度，Bσ为应力作用下的磁感应强度，H为磁场强度，λ为磁致伸缩系数。所述步骤4)中对瞬时电磁力进行FFT变换之前要对瞬时电磁力数据进行处理，具体为：将得到的瞬时电磁力数据去掉开始的振荡部分，得到稳态波形，再对稳态波形进行FFT变换。本专利技术具有以下有益效果：1、计算方法直接、简单方便，结果直观；2、从能量角度出发，分析变压器铁芯电磁振动受力情况,全面考虑了铁芯受力的各影响因素，计算结果准确可靠；3、可用于绕组短路振动变形分析，同时也可为电机的噪声分析提供方法和依据。附图说明图1是变压器铁芯X方向受力波形图；图2是变压器铁芯Y方向受力波形图；图3是变压器铁芯Z方向受力波形图；图4是变压器铁芯在X方向的电磁力频域分布：幅值-频率变化；图5是变压器铁芯在X方向的电磁力频域分布：相角-频率变化；图6是变压器铁芯在Y方向的电磁力频域分布：幅值-频率变化；图7是变压器铁芯在Y方向的电磁力频域分布：相角-频率变化；图8是变压器铁芯在Z方向的电磁力频域分布：幅值-频率变化；图9是变压器铁芯在Z方向的电磁力频域分布：相角-频率变化；具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，以110kV油浸式三相双绕组变压器作为算例，计算变压器铁芯的电磁力谐波，步骤1：构建变压器的三维几何网格模型采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，所述结构参数包括高压绕组和低压绕组的内径和外径、铁芯的半径、铁柱高度、铁厄长度以及油箱的长、宽、高。先构建三维几何模型，即将绕组建立为圆柱筒状；铁芯由铁厄和铁柱构成，将铁芯建立为整体，忽略铁厄和铁柱间的接缝；将油箱简化为长方体，油箱与铁芯、绕组相交以外的部分为变压器油；再对变压器三维几何模型进行网格划分，完成变压器三维几何网络模型构建。本实施例中高压绕组线圈直径为948mm～1111mm，低压绕组线圈直径为598mm～710mm，绕组线圈高1216mm，铁芯直径为565mm，铁芯轭高为540mm，油箱体积为5m*2m*3m，基于上述结构参数建立变压器的三维几何模型。步骤2：变压器结构参数设置本步骤采用有限元法实现。将变压器的三维几何网格模型导入AnsoftMaxwell软件中，设置变压器铁芯、绕组和变压器油材料属性。铁芯设置为硅钢片材料，并设置铁芯堆叠系数、密度、磁导率等材料属性，铁芯的磁导率的设置即：设置铁芯在轧制方向和垂直于轧制方向的非线性B-H磁化曲线。绕组设置为铜材料，并设置密度、电导率等材料属性以及设置高压绕组和低压绕组的匝数。变压器油设置为绝缘油材料，并设置相对电导率、相对磁导率等材料属性。为考虑磁致伸缩效应，根据相对磁导率与应力的电磁关系(式1-1)和应力与磁感应强度的关系(式1-2)，采用插值迭代法修正铁芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，其特征是，包括以下步骤：1)采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，构建变压器三维几何网格模型；2)将变压器的三维几何网格模型导入Ansoft Maxwell软件中，设置变压器铁芯、绕组和变压器油材料属性；3)三维几何网格模型中的三相低压绕组截面上分别施加相位相差120度的正弦电流，电流平均分布于绕组截面，并对三维几何网格模型外侧施加狄里克莱边界条件；设置待求电磁力参数、仿真时间和仿真间隔时间，在AnsoftMaxwell软件中采用虚位移法求解瞬态电磁场，磁场储能在有限元计算中的表达式为：W=12∫ΩB·HdΩ=12∫Ω1μ|B|2dΩ=12μΣϵ=1n[(∂A∂x)2+(∂A∂y)2+(∂A∂z)2]dΩ;]]>采用虚功法计算变压器铁心和绕组所受电磁力，瞬时电磁力的计算表达式为：F=dW(s,i)ds|i=const=∂∂s[∫V(∫0HB·dH)dV];]]>式中W为磁场储能，H为磁场强度，B为磁感应强度，Ω为求导区域，μ为磁导率，A为磁势，x、y、z分别为坐标轴的三个方向；F为瞬时电磁力，W(s,i)为系统的磁场储能，i为建立磁场的电流，s为虚位移，v为求导空间；4)对瞬时电磁力进行FFT变换，得到铁芯的电磁力频域分布。...

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，其特征是，包括以下步骤：1)采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，构建变压器三维几何网格模型；2)将变压器的三维几何网格模型导入AnsoftMaxwell软件中，设置变压器铁芯、绕组和变压器油材料属性；3)三维几何网格模型中的三相低压绕组截面上分别施加相位相差120度的正弦电流，电流平均分布于绕组截面，并对三维几何网格模型外侧施加狄里克莱边界条件；设置待求电磁力参数、仿真时间和仿真间隔时间，在AnsoftMaxwell软件中采用虚位移法求解瞬态电磁场，磁场储能在有限元计算中的表达式为：W=12∫ΩB·HdΩ=12∫Ω1μ|B|2dΩ=12μΣϵ=1n[(∂A∂x)2+(∂A∂y)2+(∂A∂z)2]dΩ;]]>采用虚功法计算变压器铁心和绕组所受电磁力，瞬时电磁力的计算表达式为：F=dW(s,i)ds|i=const=∂∂s[∫V(∫0HB·dH)dV];]]>式中W为磁场储能，H为磁场强度，B为磁感应强度，Ω为求导区域，μ为磁导率，A为磁势，x、y、z分别为坐标轴的三个方向；F为瞬时电磁力，W(s,i)为系统的磁场储能，i为建立磁场的电流，s为虚位移，v为求导空间；4)对瞬时电磁力进行FFT变换，得到铁芯的电磁力频域分布。2.如权利要求1所述的一种基于有限元法的变压器铁芯电磁力计算方法，其特征是，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡静竹，张建功，周兵，倪园，王延召，李妮，干喆渊，张斌，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11