摘 要

随着船舶电网的负荷越来越大，变压器的装机数量和容量也与日俱增。为减小变压器正常运行时的振动噪声，本文在对24脉波移相整流变压器主要结构和基本原理掌握的基础上，从激励源出发，探究电源谐波对于变压器振动噪声的影响，完成电磁振动噪声的联合仿真。

基于整流变压器移相原理和电路设计，完成了24脉波移相整流变压器的结构参数计算，采用电磁仿真分析软件Ansoft Maxwell和多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics搭建24脉波移相整流变压器仿真模型，通过瞬态求解器在不同激励源下进行仿真模拟，获得磁场、受力、振动加速度、声场等关键参数的变化情况，并对其进行分析。

24脉波整流变压器仿真模型的计算求解，主要围绕电源谐波展开。经相关研究表明，变压器电路中激励频率的变化在运行过程中改变了铁芯的磁场和绕组的振动，不同的激励参数会引起不同的谐波畸变，从而引起变压器振动噪声的变化。

关键词：变压器振动噪声；多物理场耦合；电源谐波；有限元分析

Abstract

With the increasing load of the ship's power grid, the number and capacity of installed transformers are also increasing. In order to reduce the vibration noise of the transformer during its operation, based on mastering the main structure and basic principles of the 24 pulse phase rectifying transformer, starting from the excitation source, the power supply harmonics are investigated for the transformer vibration noise to complete the Electromagnetic vibration noise co-simulation.

Based on the phase shifting principle and circuit design of the rectifier transformer, the calculation of the structural parameters of the 24-pulse phase shifting rectifier transformer is completed.We use the electromagnetic simulation analysis software Ansoft Maxwell and the multiphysics simulation software COMSOL Multiphysics to build 24-pulse phase-shifted rectifier transformer simulation model, and use the transient solver to simulate the simulation under different excitation sources to obtain the key parameters changes of magnetic field, force, vibration acceleration, sound field .

The calculation and solution of the simulation model of the 24-pulse rectifier transformer mainly focuses on the power supply harmonics. Relevant research shows that the change of excitation frequency in the transformer circuit changes the magnetic field of the iron core and the vibration of the winding during operation. Different excitation parameters will cause different harmonic distortions, thus causing changes in transformer vibration noise.

Key Words:transformer vibration noise；multiphysics coupling；power harmonic；finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 移相整流变压器技术的相关介绍 2

1.3 国内外变压器振动噪声的研究分析 3

1.4 本文主要工作 4

第2章 二十四脉波移相整流变压器振动噪声研究的基础 6

2.1 延边三角形谐波抑制原理 6

2.2 移相变压器绕组的连接 7

2.3 谐波对于变压器振动噪声的影响原理 7

2.3.1 谐波对铁芯振动的影响 7

2.3.2 谐波对绕组振动的影响 8

2.3.3 谐波对变压器结构件的影响 8

2.4 变压器电磁场和声场理论基础 8

2.4.1 变压器的工作原理 8

2.4.2 电磁场分析基本方程 9

2.4.3 变压器铁芯的结构力场分析 10

2.4.4 声场分析 10

2.5 本章小结 11

第3章 24脉波移相整流变压器的仿真模型搭建 12

3.1 仿真软件介绍 12

3.1.1 Ansoft Maxwell有限元分析 12

3.1.2 COMSOL Multiphysics有限元分析 13

3.2 仿真模型的结构设计 14

3.2.1 铁芯的相关参数 14

3.2.2 绕组的相关参数 16

3.3 仿真模型的激励源设置 17

3.4 24脉波移相整流变压器的网格剖分 21

3.5 本章小结 22

第4章 仿真计算和分析 24

4.1 变压器运行分析 24

4.2 变压器主磁通分析 24

4.3 移相整流变压器绕组电动力 27

4.4 仿真计算的声场分析 29

4.5 频谱分析 32

4.6 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

近年来，船舶智能化趋势加快，船舶电网的负荷猛增，变压器的安装数量和容量为满足现今船舶快速的发展趋势迅速增加。智能化给船舶带来便利的同时，变压器的运行噪声的弊端也日渐凸显出来，其渐渐成为影响船舶舱室舒适性和静音性的巨大阻碍。不仅在船舶领域，在日常生活中，随着变压器数量和容量的增大，其噪声水平已引起了相关学者的广泛关注。

此外，除了振动产生的噪声污染外，长期处于振动运行中的变压器还有其他诸多危害：（1）铁芯硅钢片因磁致伸缩而增强蠕动，从而可能增加铁芯涡流损耗；（2）因长期振动，绕组压紧力渐渐不达标，绕组在轴向产生松弛，严重者可导致短路；（3）部分绝缘件产生振动位移甚至断裂，容易引发严重事故；（4）油箱密封件由于长期振动加速老化，出现渗油现象，不利于降温。因此，如何降低变压器的振动噪声，保证电力系统的可靠运行，是眼下非常重要的研究课题之一。