【導(dǎo)讀】隨著市場需求嚴(yán)苛程度不斷提高，變壓器容量增大，其運(yùn)行穩(wěn)定性成為了用戶關(guān)注度極高的問題。變壓器性能包括散熱、噪聲、振動、抗短路能力等眾多因素，變壓器作為電站主要設(shè)備之一，并且是變電站主要噪聲源設(shè)備是研究的重點，因此變壓器的噪聲問題一直是設(shè)計人員關(guān)注的重點。
引言
隨著市場需求嚴(yán)苛程度不斷提高，變壓器容量增大，其運(yùn)行穩(wěn)定性成為了用戶關(guān)注度極高的問題。變壓器性能包括散熱、噪聲、振動、抗短路能力等眾多因素，變壓器作為電站主要設(shè)備之一，并且是變電站主要噪聲源設(shè)備是研究的重點，因此變壓器的噪聲問題一直是設(shè)計人員關(guān)注的重點。本文中根據(jù) GB/T 1094.10 變壓器聲級測定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合變壓器額定負(fù)載運(yùn)行工況，基于 ANSYS Workbench 平臺實現(xiàn)了變壓器噪聲分析，從而在噪聲產(chǎn)生機(jī)理上進(jìn)行深入研究，不僅可以在變壓器設(shè)計階段預(yù)估噪聲值，還可以為有效降低變壓器噪聲提供科學(xué)依據(jù)。
2 噪聲分析理論基礎(chǔ)
2.1 電磁分析基礎(chǔ)
電磁場理論由麥克斯韋方程組（如下圖所示）來描述。求解方法上，數(shù)值法優(yōu)于解析法，近年來電磁場數(shù)值解法在工程及科學(xué)研究上的應(yīng)用也越來越廣泛和高效。電磁場的數(shù)值分析和計算通常歸結(jié)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(qū)域離散化為”單元“，采用 Maxwell 方程進(jìn)行求解。
2.2 結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)
通過電磁場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，將其作為簡諧激勵源，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析的運(yùn)動控制方程為：
其中假設(shè) F 和 u 做簡諧變化，則：
2.3 噪聲分析基礎(chǔ)
采用聲學(xué)有限元法求解聲學(xué) Helmholtz 方程來計算聲場。通過聲波的連續(xù)方程、運(yùn)動方程、物態(tài)方程可以推導(dǎo)得到 Helmholtz 波動方程，進(jìn)一步通過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：
計算變壓器聲場分析需要將結(jié)構(gòu)表面的振動速度導(dǎo)入聲學(xué)分析中作為邊界條件，聲學(xué)有限元系統(tǒng)方程形式為：
2.4 耦合分析流程
本次分析首先在 MAXWELL 進(jìn)行電磁場分析，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(dǎo)入 Mechanical 進(jìn)行簡諧振動分析，得到質(zhì)點振動速度，再將其導(dǎo)入 ANSYS Acoustics 聲學(xué)仿真模塊，求解聲壓波動方程，進(jìn)行聲場分析，得到最后的噪聲計算結(jié)果，并根據(jù) GB/T 1094.10 進(jìn)行評定。
Figure. 基于 ANSYS Workbench 的聲學(xué)仿真耦合流程
3 干式變壓器振動噪聲分析
Figure. 變壓器三維模型圖
Figure. 噪聲分析耦合流程圖
3.1 電磁場分析
將變壓器的電磁模型導(dǎo)入 Maxwell,給定鐵芯、繞組的材料，設(shè)定好額定工況的激勵、邊界條件、求解參數(shù)，即可進(jìn)行求解。設(shè)定好的繞組激勵如下圖所示：
1 設(shè)定鐵芯、繞組材料：
Figure. 材料設(shè)定
2 施加激勵、求解計算：
Figure. 激勵加載&求解設(shè)置
3 后處理：
Figure. 后處理設(shè)置
Figure. 電磁力密度
3.2 結(jié)構(gòu)分析
在 mechanical 中進(jìn)行分析前，首先根據(jù)提供的材料在 Engineer Data 中輸入材料數(shù)據(jù)，由于諧響應(yīng)分析是線性分析類型，并且變壓器結(jié)構(gòu)在實際工作中也不允許超出屈服強(qiáng)度，因此此處以線彈性材料進(jìn)行簡化輸入。網(wǎng)格劃分過程中，實體單元以四面體、六面體混合。根據(jù)實際工作，掃頻范圍設(shè)置為 0~1000Hz。加載時，根據(jù)變壓器實際安裝位置，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。
Figure. 網(wǎng)格劃分操作設(shè)置
Figure. 變壓器網(wǎng)格劃分
2 邊界條件：根據(jù)實際工作情況，將底部進(jìn)行全約束。在 Harmonic Response 處右鍵 insert 插入 fixed support
Figure. 插入邊界條件
Figure. 變壓器邊界條件加載
3 分析設(shè)置：此處根據(jù)前述分析，將頻率區(qū)間設(shè)置為 0~1000Hz
Figure. 分析設(shè)置
4 導(dǎo)入電磁力：在 Import Load 處，鼠標(biāo)右鍵 Insert，選擇 Surface Force Density，選擇需要導(dǎo)入電磁力的部件，Surface Force Density 右鍵選擇 import Load，即可導(dǎo)入。
Figure. 導(dǎo)入電磁力設(shè)置
Figure. Import 電磁力
5 后處理：
Figure. 后處理插入速度設(shè)置
Figure. 質(zhì)點振動速度云圖
3.3 噪聲分析
噪聲分析利用 ANSYS 專業(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(shù)，此處介質(zhì)為空氣，在 Engineer Data 中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。噪聲分析由于主要分析聲音在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象，因此需要設(shè)置空氣域。由于變壓器與空氣接觸部分幾何復(fù)雜，因此對空氣域采用四面體網(wǎng)格劃分方式。基于 ANSYS Workbench 耦合平臺，將上一步諧響應(yīng)分析計算得到的質(zhì)點振動速度導(dǎo)入噪聲分析中，作為激勵源。通過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，而一次交流過程中會有兩次信號達(dá)到峰值，因此振動分析的基礎(chǔ)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(jù) GB/T 1094.10 變壓器聲級測定標(biāo)準(zhǔn)，后處理中提取相關(guān)輪廓線處 A 計權(quán)聲壓，并計算平均值，得到最終結(jié)果。
1 模型處理：進(jìn)行聲場分析，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，同時指定空氣域大小即可。
Figure. 插入空氣域
Figure. 空氣域的建立
2 網(wǎng)格劃分：由于空氣域形狀復(fù)雜，此處以四面體方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此類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。
Figure. 網(wǎng)格劃分設(shè)置
Figure. 空氣域網(wǎng)格劃分
3 邊界條件：右鍵單擊 Import Load 選擇 Insert，插入 Velocity，插入諧響應(yīng)分析中計算得到的質(zhì)點振動速度作為聲場分析激勵。
Figure.Import Load 設(shè)置
Figure. 導(dǎo)入所有頻段的質(zhì)點振動速度
4 分析設(shè)置：進(jìn)行聲場分析前，需要選擇聲場區(qū)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區(qū)域。
Figure. 插入聲場區(qū)域設(shè)置
Figure. 生成的聲場區(qū)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(jié)果即可。
Figure. 后處理設(shè)置
Figure. 100Hz 聲壓分布（前后面）
Figure. 100Hz 聲壓分布（左右面）
Figure. 不同頻率下聲壓變化曲線（前后面最大聲壓）
通過上述曲線，發(fā)現(xiàn)前后面聲壓最大發(fā)生在 400Hz 時。
Figure. 400Hz 時前后面聲壓分布
Figure. 不同頻率下聲壓變化曲線（側(cè)面最大聲壓）
通過上述曲線，發(fā)現(xiàn)側(cè)面聲壓最大時為 300Hz。
Figure. 300Hz 時側(cè)面聲壓分布
根據(jù)實際試驗要求，提取輪廓線處的聲壓，并取平均值。
表格 13 各點聲壓值
結(jié)果說明
①通過噪聲分析，發(fā)現(xiàn)變壓器在工作時，前后面的聲壓分布趨勢基本一致，側(cè)面的聲壓分布趨勢基本一致，最大值略有差異。
②通過噪聲分析，發(fā)現(xiàn)該變壓前后面的最大 A 計權(quán)聲壓為 58dB，側(cè)面最大 A 計權(quán)聲壓為 50dB。
③通過噪聲分析后處理，300Hz 平均聲壓為 50.4dB，400Hz 平均聲壓為得到平均為 50.8dB。
4 總結(jié)
本文通過基于 ANSYS Workbench 平臺的干式變壓器振動噪聲仿真，實現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計階段對其噪聲值進(jìn)行預(yù)估的完整流程，可以幫助企業(yè)在探究變壓器噪聲的機(jī)理上，對產(chǎn)品及時做出改進(jìn)，響應(yīng)市場，提高競爭力。
