CN105512373A - 一种低噪变压器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低噪变压器的设计方法，设计变压器及其附属配件的结构，然后将该结构代入到有限元软件建立变压力的有限元模型；然后分别对有限元模型进行变压器的空腔模态测试，以及采用扫频发和敲击法进行变压器的铁芯结构的振动模态测试。然后，根据上述结构对设计的变压器进行薄弱环节修正并生产变压器样机，在投出实际运行中测试该样机的噪音值，是否满足允许范围的理论噪音值。若满足该设计的变压器样机即为符合标准的低噪变压器。利用本发明方法设计的低噪变压器符合噪声标准，适用范围广，而且设计效率高、成本低。

Description

一种低噪变压器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种低噪变压器的设计方法，属于变压器检测的技术领域。

背景技术

随着近代工业的发展，环境污染也随着产生，噪音污染是环境污染的一种，已经成为对人类的一大危害。噪音污染、水污染、大气污染被看成是全球三个主要环境问题。噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪音污染已成当代社会一大公害。近年来，噪声诉讼案件不断增加。尤其是随着工业化的发展，城市噪音大幅度增加。变压器作为城市供电系统的主要设备之一，降低城市噪音是变压器生产厂家的首要任务也是变压器行业竞争的一个新热点。长期以来，噪音高是制约干式配电变压器大面积推广应用的一个重要因素，这一方面影响到变压器周边的居民生活质量，另一方面也增加了变压器运行时的损耗。尽管各干式配电变压器制造企业从设计到加工各个环节都对噪音进行了严格控制，但是所生产的变压器在实际的工作中仍然存在较大的噪声，因此，在制造变压器的同时对变压器进行低噪声设计是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种低噪变压器的设计方法，利用一种新颖独特的方式解决了变压器在实际运行中存在较大噪声的问题。

本发明是通过如下方案予以实现的：

一种低噪变压器的设计方法，步骤如下：

步骤1，设计变压器及其附属配件的结构，然后将该结构代入到有限元软件建立变压力的有限元模型；

步骤2，变压器的空腔模态测试：根据所建立的变压器的有限元模型，计算变压器空腔共鸣频率；

步骤3，变压器的铁芯结构的振动模态测试：根据所建立的变压器的有限元模型，采用扫频法，即利用变频器变压器铁芯上采集相关信号并进行分析，从而得到变压器铁芯的共振模态频率值，然后利用敲击法，通过对有限元模型中设定的节点施加一个脉冲信号，进而确定变压器铁芯的振型；

步骤4，根据步骤2和步骤3计算得出的结果，确定变压器噪声的分布情况以及噪声谐波成分，判断该噪声谐波的含量是否正常，若正常进行振动测量，并对所得的测量值进行分析，判断其测量值是否满足噪音标准要求，若满足即可生产变压器样机，否则重复步骤1到步骤3，对其所述有限元模型中薄弱环节进行修正；

步骤5，对生产的变压器样机进行实际的噪音测试值和理论噪音值进行比较，计算其误差是否在允许设定的范围，若在该设定范围内，该设计的变压器样机即为符合标准的低噪变压器。

进一步的，步骤1中在设计变压器的结构时，在变压器的下方位置设计有阻尼弹簧隔振器，用于降低变压器中的振动传递效率并平衡变压器的整体载荷。

进一步的，步骤1中所建立的有限元模型中，对变压器各个部件之间的连接设置预紧力。

进一步的，步骤3中，步骤3在利用变频器变压器铁芯上采集相关信号中，是通过变频器三相输出接入到铁芯的电磁绕线进行激励，采集的相关信号为即为加速度响应信号。

进一步的，步骤3中，所述的步骤3中通过对有限元模型进行网格划分，其中所述铁芯上网络的交点即为设定的节点。

进一步的，步骤3中所述的脉冲信号的带宽由敲击法给予的敲击作用时间决定。

进一步的，步骤5中允许设定的范围为所述实际的噪音测试值和理论噪音值的误差≤3db。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了一种低噪变压器的设计方法；首先，对变压器的结构进行初步设计，然后代入到有限元软件中建立有限元模型。根据建立的模型对其进行空腔模态测试、铁芯结构的振动模态测试对变压器的噪声进行检测，根据检测结果对模型中的薄弱环节进行修正，最后再通过噪音数据测试，当变压器在实际运行中得到的噪音实测值与其理论计算值之间的误差落在允许范围内时，即所设计的变压器满足低噪声的标准。本发明通过了解变压器产生噪声的原因，从空腔共鸣和振动模态两个方面研究了干式变压器的振动和噪音。实验方面着重进行振动和噪音的模态分析和频谱分析，采用有限元法计算了干式变压器空腔共鸣和振动模态。利用本发明方法设计的变压器噪声低，符合国家标准，适用范围广，而且设计成本低、效率高。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例的有限元模型建立框图；

图3是本发明实施例的敲击法测试前表面测点分布图。

具体实施方式

一种低噪变压器的设计方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明：

一种低噪变压器的设计方法，该方法主要依次通过建立有限元模型、变压器的空腔模态测试、铁芯结构的振动模态测试、薄弱环节的修正、实际噪声测试这几个步骤实现对变压器噪声的检测，具体步骤如下：

步骤(一)、建立有限元模型：

1)根据用户的需求以及国家相关噪音标准技术的要求，根据现有技术了解造成变压器发出噪声的主要因素，对所要生产的变压器的结构进行初步设计。其中，造成变压器出现噪音的主要因素为变压器本体振动及冷却装置的振动，因此，在进行变压器的初步设计时需要考虑变压器内部结构的关键构件、结构振动产生、传递、耦合的机理，并且对变压器的本体选用吸音材料。

由于充分考虑到变压器的整体载荷及运输荷载状况，在器身底座下方位置设计阻尼弹簧隔振器，以增加主要频率的隔振量并平衡整体载荷。利用弹簧的阻尼消能作用降低振动传递效率，并利用结构形状提升阻尼效率。使铁心和磁屏蔽振动传到底座时，由钢性连接变为弹性连接，减少振动，防止共振。

2)将初步设计的变压器机构代入到有限元软件中，通过设置合理的建模方式、边界条件、约束方式、材料参数，建立该变压器的有限元模型。

其中，由于变压器由很多部件连接，如：夹件与底座的连接，底座与阻尼弹簧隔振器的连接，风机和变压器底座风机架之间的连接等，这些部件之间的连接都是通过螺栓完成的，这些部件的连接关系以及之间的相互作用力都对变压器的噪声具有一定的影响。所以在建立有限元模型的过程中要对变压器各个部件之间的预紧力进行分析并合理的设置。

步骤(二)、变压器的空腔模态测试：

变压器的铁心和线圈之间，高低压线圈之间存在多个环形腔，在其内部可以建立起振幅很大的声波，这种储积起来的能量可以向开阔空间辐射。变压器的空腔本身不会产生噪声，却能将变压器结构体发出的噪声放大，空腔在某个激励频率下能共振，如果偏离这个频率，共振就会减弱。因此，在对变压器噪声的检测中需要利用步骤(一)中所建立的变压器的有限元模型计算在各阶段模态下的空腔共鸣的频率和振动。

步骤(三)、变压器铁芯结构的振动模态测试：

基于所建立的变压器的有限元模型，采用扫频法和敲击法对铁芯的振动进行分析研究并计算铁芯的共振频率，具体方式如下：

1)扫频法：采用扫频发测试铁芯的共振频率。将变频器三相输出接入到铁芯的电磁绕线进行激励，采集加速度响应信号并进行分析，得到变压器的变频声压与振动谱，从而得到铁芯振动模态频率值。

2)敲击法：采用敲击法测试铁芯的振动模态。敲击法应用在变压器测试中的基本原理为：

模态测试中采用近似自由置放的支撑条件，即采用较长与宽的平木支撑，虽然，因此会带来刚体模态，但由于其振型和弯曲模态有明显区别，分析中可以去除。变压器铁芯结构的振动模态测试采用单输入，多输出的方法，这样易于控制敲击位置的一致性，可以得到较好的效果。采用力传感器对尼龙锤的力信号进行采样，力传感器要与锤头贴合紧密，不允许有松动；加速度传感器采用磁座固定，贴合非常牢靠，这样增强了稳定性，对于高频信号也可以顺利完成采样。测试中需要对通道滤波、采样频率、采样次数和采样块数进行设置，数据分析处理。

对于敲击法在本实施例中的应用而言，首先，对建立的变压器的有限元模型进行网格划分，将其中的网点(即节点)作为利用敲击法敲击或测量的地方。其中，建立的有限元模型中，三个铁芯柱、上下铁轭分别抽象成一维线模型，每条线作12等分划分，定义了13个节点，这样能准确反映模型的模态，不至于丢失模态。

然后，通过对模型的节点进行敲击，在适度的敲击力度下，在一定的频段内模型的模态被激发出来.这频段由敲击作用过程决定，其主要参数是作用时间。由于敲击施加的是一个脉冲力信号输入，敲击作用时间决定了输入信号的带宽.敲击波形决定了其中频率成分的比例。如果模型的模态不在此频段范围内，将不被激发出来。因为输入的频率成分不同，所以受激发的模态的激发程度不同，在进行模态分析时，一般将输出谱与输入谱相比，即得到传递函数作为研究对象，可用于测试得到铁芯的振动模态。。

步骤(四)、薄弱环节修正：根据步骤(二)计算得到的变压器在各个阶段空腔共鸣的频率和振动以及步骤(三)获取的铁芯共振频率和振动模态，分析了解变压器噪声谱的分布情况，确定主要的谐波成分以及分析该谐波含量是否正常，若正常对该模型进行振动测量，判断该变压器模型的噪音是否满足设定的条件，若不满足，对所建立的模型中的薄弱环节进行修正，若满足即可以根据所建立的变压器模型生产变压器样机。

由于步骤(四)是通过现有软件实现对变压器有限元模型的分析，并对其薄弱环节进行修正，属于现有技术，故这里就不再赘述。

步骤(五)、实际噪声测试：考虑到实际变压器产品中的加工偏差，装配时的松紧偏差，材料性能的偏差都会对噪声造成一定影响，因此，对生产的变压器样机还需要进行噪音数据的测试，将实际得到的噪声数据和理论噪声数据进行对比，若其误差满足在允许范围内(即误差≤3db)，即所设计的变压器足生产的噪声指标，可以进行规模性的投入生产。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，设计变压器及其附属配件的结构，然后将该结构代入到有限元软件建立变压力的有限元模型；

步骤2，变压器的空腔模态测试：根据所建立的变压器的有限元模型，计算变压器空腔共鸣频率；

步骤3，变压器的铁芯结构的振动模态测试：根据所建立的变压器的有限元模型，采用扫频法，即利用变频器变压器铁芯上采集相关信号并进行分析，从而得到变压器铁芯的共振模态频率值，然后利用敲击法，通过对有限元模型中设定的节点施加一个脉冲信号，进而确定变压器铁芯的振型；

步骤4，根据步骤2和步骤3计算得出的结果，确定变压器噪声的分布情况以及噪声谐波成分，判断该噪声谐波的含量是否正常，若正常进行振动测量，并对所得的测量值进行分析，判断其测量值是否满足噪音标准要求，若满足即可生产变压器样机，否则重复步骤1到步骤3，对其所述有限元模型中薄弱环节进行修正；

步骤5，对生产的变压器样机进行实际的噪音测试值和理论噪音值进行比较，计算其误差是否在允许设定的范围，若在该设定范围内，该设计的变压器样机即为符合标准的低噪变压器。

2.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤1中在设计变压器的结构时，在变压器的下方位置设计有阻尼弹簧隔振器，用于降低变压器中的振动传递效率并平衡变压器的整体载荷。

3.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤1中所建立的有限元模型中，对变压器各个部件之间的连接设置预紧力。

4.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤3中，步骤3在利用变频器变压器铁芯上采集相关信号中，是通过变频器三相输出接入到铁芯的电磁绕线进行激励，采集的相关信号为即为加速度响应信号。

5.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤3中，所述的步骤3中通过对有限元模型进行网格划分，其中所述铁芯上网络的交点即为设定的节点。

6.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤3中所述的脉冲信号的带宽由敲击法给予的敲击作用时间决定。

7.根据权利要求1所述的一种低噪变压器的设计方法，其特征在于，步骤5中允许设定的范围为所述实际的噪音测试值和理论噪音值的误差≤3db。