ANSYS：多物理仿真在電力變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2016-10-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在電力變壓器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域,由于工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求和下一代電力變壓器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,工程師面臨著巨大的挑戰(zhàn)?；趥鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)思路,許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題將難以得到解決。賓夕法尼亞變壓器公司(PTTI) 開發(fā)了一套基于多物理域仿真分析驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新方法,這種新的設(shè)計(jì)方法涵蓋多物理域仿真分析,工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建立以及設(shè)計(jì)流程管理,最終實(shí)現(xiàn)變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種基于多物理域仿真分析的設(shè)計(jì)方法使用ANSYS 軟件平臺(tái),利用ANSYS 軟件平臺(tái)能夠有效評(píng)估產(chǎn)品的多物理域性能,校核前期設(shè)計(jì),仿真分析樣機(jī)在不同工況下的運(yùn)行性能。針對(duì)電力變壓器設(shè)計(jì)問題,ANSYS 軟件平臺(tái)能夠幫助工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器鐵芯,繞組,散熱機(jī)殼及其它部件,最終達(dá)到在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,有效減小變壓器的外形尺寸和降低制造成本,保證經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的變壓器能夠承受電網(wǎng)浪涌沖擊,短路以及高溫,同時(shí)降低變壓器的工作噪聲。

PTTI 公司的產(chǎn)品種類齊全覆蓋面廣,主要產(chǎn)品包括單相,三相電力變壓器、專用電壓整流器,民用供電、市政供電以及工業(yè)領(lǐng)域供電設(shè)備。PTTI 公司將變壓器作為電磁場多物理域分析的核心部件,因此如何有效仿真分析變壓器的電磁場分布情況就顯得尤為重要;其次,如何有效仿真分析電磁場的分布情況對(duì)變壓器的受力以及損耗分布的影響也同樣重要。上述問題需要結(jié)合考慮變壓器在實(shí)際制造中潛在的不確定因素,例如,短路、光照、振動(dòng)、噪聲、空載或負(fù)載情況下的溫升等等。上述問題如果不加考慮將會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命,更嚴(yán)重的是可能會(huì)對(duì)用戶造成數(shù)百萬美元的損失。

仿真系統(tǒng)幫助工程師來優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì),如鐵芯、繞組、機(jī)殼以及其他部件,以確保成品在尺寸、成本等方面符合設(shè)計(jì)要求

電磁場仿真

首先將AutoCAD 中創(chuàng)建的幾何模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench 環(huán)境中進(jìn)行前處理;然后工程師可以參照標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)或者IEEE 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建相關(guān)仿真參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)之前,PTTI 工程師將ANSYS 軟件平臺(tái)作為唯一的仿真工具精確仿真分析變壓器在各種工況下的運(yùn)行性能。具體來說,利用ANSYS的低頻電磁場仿真軟件Maxwell,工程師可以為變壓器的主要部件設(shè)置對(duì)應(yīng)材料,例如,繞組材料、絕緣材料以及變壓器油的種類等等。激勵(lì)和邊界條件主要由給定電壓條件下的電場分布對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響來確定。模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)激勵(lì)通常定義為可變參數(shù)用于后期的參數(shù)化、優(yōu)化掃描,在指定仿真精度的前提下,仿真過程可以自動(dòng)進(jìn)行,例如前期模型的網(wǎng)格自適應(yīng)剖分。

經(jīng)過后處理,工程師可以觀測變壓器在不同輸入條件下的電磁場分布情況。例如,可以通過觀測磁力線的分布情況來間接判變壓器油在不同壓力情況下對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響,估算變壓器的安全工作系數(shù),校核設(shè)計(jì)指標(biāo);在變壓器實(shí)際生產(chǎn)以前,工程師可以通過為模型添加不同的激勵(lì)源來模擬變壓器在不同工況下的運(yùn)行情況。例如,在保證變壓器絕緣系統(tǒng)安全系數(shù)的情況下,如何有效降低導(dǎo)線的絕緣層厚度與繞組層間絕緣厚度。上述材料在變壓器的制造成本中占較高比重,因此通過這種方法PTTI 公司可以有效降低變壓器的制造成本。

以最近一次工程設(shè)計(jì)案例為例,PTTI 公司為一家客戶設(shè)計(jì)了一臺(tái)500kV 的變壓器樣機(jī)。在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,通過仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),將變壓器的長度減小了2 英尺,高度和寬度也減小了1.5 英尺。最終樣機(jī)的性能與競爭對(duì)手樣機(jī)的性能不相上下,但卻更加節(jié)省鋼材與變壓器油的用量。

減小變壓器繞組層間絕緣厚度可以有效降低制造成本,但是另一方面也減小了繞組與鐵芯的氣隙厚度,氣隙厚度的減小會(huì)造成變壓器鐵芯渦流損耗的上升。通過在變壓器的鐵芯和機(jī)殼之間添加雜散損耗屏蔽層,可以有效降低變壓器的渦流損耗。屏蔽層主要由層間絕緣的疊壓硅鋼片構(gòu)成,屏蔽層可以有效降低雜散損耗對(duì)變壓器機(jī)殼和變壓器中低碳鋼材料的影響。通過這種方法可以有效地將整個(gè)變壓器的渦流損耗控制在低碳鋼的渦流損耗水平,同時(shí)可以保證變壓器的鐵芯層間絕緣厚度減小。

實(shí)際計(jì)算低碳鋼的損耗分布是非常困難的,因?yàn)楫?dāng)變壓器工作頻率在60Hz 的時(shí)候,磁場主要分布在變壓器鐵芯表面而不是穿透鐵芯。

當(dāng)變壓器內(nèi)部有多個(gè)不規(guī)則形狀的低碳鋼材料部件,或者高損耗密度材料部件相互接觸時(shí),精確的建立樣機(jī)的模型將會(huì)非常困難。PTTI 公司通過專用的模型建立方法創(chuàng)建了樣機(jī)的幾何模型,然后導(dǎo)入Maxwell 中進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過仿真分析,有限元模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)接近500 萬單元,在保證計(jì)算精度的情況下,它的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)僅相當(dāng)于一臺(tái)中等功率,或者稍大功率變壓器的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù),大大的節(jié)省了計(jì)算資源。

用價(jià)格相對(duì)便宜的低碳鋼材料作為變壓器的部件,容易受到雜散磁場的影響而發(fā)熱,必須在它的外部添加用硅鋼片材料包裹的雜散損耗屏蔽層,原理與在變壓器核心外部添加變壓器機(jī)殼類似。后期,工程師可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證雜散磁場被有效屏蔽的情況下,將屏蔽層的厚度做到最小。

變壓器整機(jī)外部需要安裝GICs 單元,通過仿真分析可以觀察變壓器機(jī)殼以及機(jī)芯內(nèi)部鐵磁材料的渦流幅值與分布情況,GICs 能夠感應(yīng)周圍環(huán)境的變化,甚至是地磁場的微弱變化,然后在其繞組內(nèi)部產(chǎn)生低頻感應(yīng)渦流。通過仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),可以有效降低變壓器中鐵磁部件過熱的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)可以保證變壓器內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生有害氣體。PTTI 工程師通過仿真分析研究了許多以前難以分析的問題,例如,鐵芯內(nèi)部、端壓板、磁屏蔽層以及鎖緊機(jī)構(gòu)的局部過熱。設(shè)計(jì)部門通過將Maxwell 仿真分析得到的損耗分布直接映射到Mechnical 中以得到樣機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型,然后通過Mechnical 可以計(jì)算樣機(jī)在任意節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況。

PTTI 工程師將仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果表明,在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)達(dá)到百萬級(jí)的情況下,變壓器仿真渦流損耗與實(shí)測雜散損耗僅有5%~8% 的誤差;端部,鎖緊機(jī)構(gòu)以及鐵芯內(nèi)部的仿真溫度與實(shí)測溫度也僅有4% 的誤差。

結(jié)構(gòu)仿真

ANSYS 的結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechnical 可以仿真分析變壓器或者斷路器在不同受力情況下的形變,例如整機(jī)拉力試驗(yàn),繞組短路磁拉力,變壓器鐵芯與機(jī)殼之間的振動(dòng)等等。

舉例來說,在居民區(qū),用戶通常都會(huì)要求變壓器的工作噪聲要盡可能的小。變壓器的噪聲主要是由繞組絕緣層與繞組鐵芯,以及其它結(jié)構(gòu)部件之間的洛倫磁力相互作用引起的振動(dòng)產(chǎn)生。這種振動(dòng)通過變壓器油傳導(dǎo)到變壓器機(jī)殼,最終造成變壓器產(chǎn)生噪聲。因此,當(dāng)工程師設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候,分析和研究變壓器鐵芯、機(jī)殼以及其它結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)情況就顯得尤為重要。

鐵芯的振動(dòng)頻率主要包括120Hz 基波和其它高次諧波,而繞組的振動(dòng)頻率主要為120Hz 基波,如何有效避免鐵芯、繞組以及其它部件與變壓器本身可能發(fā)生的共振就成為工程師需要關(guān)注的主要問題。經(jīng)過測試后,我們可以通過移動(dòng)或者增加變壓器的結(jié)構(gòu)件來改變變壓器的固有頻率,以此達(dá)到消除變壓器噪聲的目的。

實(shí)際應(yīng)用中,許多客戶要求對(duì)變壓器和斷路器依據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噪聲分析。PTTI 工程師通過仿真分析可以得到樣機(jī)的噪聲在x,y,z 三個(gè)方向的頻域特性,然后依據(jù)SRSS 算法對(duì)樣機(jī)的噪聲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析。

流體仿真

近期PTTI 公司購買了ANSYS 公司的Fluent 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 軟件包,對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸較大的模型,允許8CPU并行求解。流體仿真團(tuán)隊(duì)利用Fluent 軟件準(zhǔn)確的仿真分析了變壓器油在變壓器與散熱片內(nèi)的運(yùn)行情況,最終改進(jìn)了冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了冷卻系統(tǒng)的制造成本。

利用ANSYS 軟件平臺(tái),PTTI 工程師完成了大量富有挑戰(zhàn)性的變壓器開發(fā)工作。PTTI 工程師改變了傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計(jì)流程,變壓器的設(shè)計(jì)流程通過集成化的設(shè)計(jì)平臺(tái)ANSYS 得以完美實(shí)現(xiàn),整個(gè)流程體現(xiàn)著完美的工業(yè)藝術(shù)氣息。工程師通過使用多物理域協(xié)同仿真分析建模極大地提高了仿真分析的準(zhǔn)確度,最終使得PTTI 公司在產(chǎn)品正式投放市場以前就能夠掌握產(chǎn)品的大量運(yùn)行性能信息。

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