Elosztó transzformátor rezgés- és zajszimulációja
A lakóhelyeken található elosztó transzformátor a legtöbb ember számára mint zajt kibocsátó „szekrény” jelenik meg. Ennek oka a működés közben fellépő fizikai jelenségek, amelyek zaj és rezgés formájában jelennek meg.

 

Annak érdekében, hogy minél kevésbé legyen zavaró a környezete számára, a transzformátoroknál nagyon fontos, hogy megismerjük a zaj és rezgés keletkezésének, terjedésének hatásmechanizmusát. A cikkben bemutatunk egy csatolt szimulációs modellt, amely alkalmas a transzformátor hangkibocsátó hatásmechanizmusának vizsgálatára. A zaj hallható hang vagy hangok keveréke, ami rossz hatással van az emberekre, zavarja a koncentrációt, és nem szolgáltat semmilyen hasznos információt.

A hang valamilyen anyag részecskéinek rezgéséből származó periodikusan oszcilláló hullám, ami minden irányba terjed különböző közegeken (gáz, folyadék vagy szilárd test) keresztül. Az emberi fül által érzékelt rezgések frekvenciája a 20 Hz és a 20 kHz közötti tartományba esik. A zaj forrása nagyon sokféle lehet, ilyen például a villamos energia átalakítására használt transzformátor, ami funkciójából fakadóan mindennapi életünk része, és közvetlen lakókörnyezetünkben is megtalálható [1].

Az elosztó és teljesítménytranszformátorok kulcsszerepet töltenek be a villamos energia szállításában és elosztásában. Ezeknek a villamos gépeknek a zaj- és rezgésmodellezése egyre jobban foglalkoztatja a tervezőket és gyártókat. Ennek két fő oka, hogy a zajt és rezgést használják leggyakrabban felügyelethez, diagnosztikai célokra, és a környezeti zajszennyezésnek ezek a hatások a forrásai. Emiatt nagyon fontos ezeknek a hatásoknak a minél pontosabb ismerete. Azonban a transzformátorok zaj- és rezgésvizsgálatánál a különböző fizikai jelenségek szorosan összekapcsolódnak, tehát a numerikus szimulációnál csak a csatolt szimuláció jöhet szóba.

A következőkben röviden bemutatott munka célja egy elosztó transzformátor csatolt szimulációja a végeselem-módszer segítségével. A cél egy csatolt fizikai modell elkészítése, amely alkalmas a transzformátor által kibocsátott zaj vizsgálatára, és kellő ismeretet nyújt annak keletkezéséről. A modellezési eljárás három terület – az elektromágneses, a mechanikai és az akusztikai szimuláció – összekapcsolásán alapszik. Ezek között jelenleg soros (gyenge) csatolás van, mert így nem szükséges a teljesen azonos geometria és végeselem-háló, valamint nem igényel speciális megoldót sem. Ezt a rendszert az ANSYS Workbench környezetben építettük fel, az ANSYS Maxwell, az ANSYS Harmonic Response és Harmonic Acoustics segítségével, ahogy az ábrán is látható.

Transzformátor csatolt szimulációja

A transzformátor egy elektromágneses rendszer, ezért a zaj létrejöttének hatásmechanizmusában az itt lejátszódó jelenségek tekinthetők a zajsugárzás forrásaként. Az elektromágneses zajforrásnak a vasmagnál és a rajta elhelyezkedő tekercseknél fellépő erőhatások tekinthetők. A vasmagnál a zaj jelentős részét a magnetostrikciós hosszváltozás okozza. Ezenkívül még erőhatás lép fel ott, ahol az egymással párhuzamos lemezek permeabilitása különböző, és ahol az oszlop és a járom lemezeinek illesztésénél légrés van [1] [2].

Azonban a permeabilitás különbségéből és az illesztésből származó erők közelítő meghatározása nagyon nehéz, ezért ebben az esetben ezektől a hatásoktól eltekintünk [3]. Az erőhatások következtében fellépő elmozdulás keltette hullámok a zaj fő forrásai. Ez a mozgás az indukcióváltozás frekvenciájának megfelelően változik, ami az olajon, teknőn keresztülhaladva zajként jelenik meg a környezetben.

 

A transzformátor szimulációjának folyamatábrája

 

Az ábra a transzformátor csatolt szimulációjának folyamatát ábrázolja, amely megfelel az egyszerűsített zajkeltési mechanizmusnak is. A szimulációs lánc az időtartománybeli elektromágneses szimulációval (ANSYS Maxwell) kezdődik, ahol fontos a lemez anyagának nemlinearitását és a magnetostrikció hatásának figyelembevétele. Ezek nélkül nem lehet a vasmagban és a kapcsolódó fémrészekben létrejövő mágneses fluxussűrűség és veszteség, valamint a tekercsre ható Lorentz-erő valóságközeli meghatározása. Az elektromágnesestér-számításból kapott eredményeket (Lorentz-erő, magnetostrikció) felhasználva határozzuk meg az elmozdulást. Az elmozdulást a harmonikus analízis (ANSYS Harmonic Response) segítségével számítottuk, ahol az idő- és frekvenciatartomány között a Fourier-transzformáció [4] teremt kapcsolatot.

A Fourier-transzformációt az ANSYS Workbench automatikusan elvégezi a két szimuláció összekapcsolásakor. A vasmag rezgése a magnetostrikció miatt egy 100 Hz-es összetevőből (az indukcióváltozás frekvenciájának kétszerese) és felharmonikusokból áll. A tekercselés rezgése a tekercsben folyó áramtól függ. Az áram nemcsak a terheléstől, hanem a vasmag telítődésétől is függ, amelynek szintén jelentős felharmonikustartalma lehet [3]. Végül a kapott elmozdulásokból az akusztikai szimuláció (ANSYS Harmonic Acoustics) révén meghatározható a keletkező hullámok terjedése az olajon, tartályon és levegőn keresztül, és a hozzá tartozó nyomásszint. Itt lehetőség van tetszőleges távolságra is vizsgálni a hangnyomásszintet.

A fő cél az elosztó transzformátor által kibocsátott zaj meghatározása volt, amit sikerült megvalósítani az ANSYS szoftvereinek összekapcsolásával. Azonban az eredmények pontosságának növeléséhez további, jelenleg elhanyagolt hatás figyelembevétele szükséges. Az elkészült folyamatot a jövőben kiegészítjük a szerelvények vizsgálatával is, amely jelentős további zajforrás lehet.

Irodalomjegyzék

[1] Tímár, P.L., Fazekas, A., Kiss, J., Miklós, A., Yand, S. J. (1989). Villamos gépek zaja és rezgése, Akadémiai Kiadó, Budapest. 339 p.

[2] Ionescu, B. (2011). „Power Play – Multiphysics-based Simulation Reduces Transformer Size, Cost and Noise”. ANSYS Advantage, 5(3), pp. 30–33.

[3] Kubiak, W., Witczak, P. (2010). „Vibration Analysis of Small Power Transformer”. COMPEL – The International journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, 29(4), pp. 1116–1124.

[4] Kaltenbacher, M. (2007). Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators, Springer-Verlag, Berlin. 440 p.

Önvezető autó, robotdoktor? Jöhet!
A magyarok több mint fele számít arra, hogy az önvezető autók széles körben elérhetők lesznek; a megkérdezettek 72 százaléka szívesen vásárolna mesterséges intelligencia által vezetett járművet a jövőben.
A hálózatosodás lesz a jövő gyárának "gőzgépe"?
Európában szinte nem létezik magára valamit is adó iparvállalat, melynek ne lenne saját elgondolása az ipar 4.0 néven emlegetett negyedik ipari forradalomról.
A vállalatoknak mindennél fontosabb az IT biztonság
Az Oracle legújabb, technológiai trendeket vizsgáló felmérése szerint az üzleti vezetők az adatvédelmet tekintik elsődleges, a közeljövőben megoldandó ügyüknek minden más nagyszabású IT fejlesztéssel szemben.
Mesterséges intelligencia ellenőrzi a távvezeték-hálózatot
A mesterséges intelligenciát gyakorlatilag bárminek a felismerésére be lehet tanítani. Ha kell, az elektromos távvezetékek részegységeit, hibáit is megtalálja. Az E.ON-nak pedig pont erre van szüksége.
Lézeres érzékelők nagy pontosságú méréséhez
Az új optoNCDT 1750LL lézeres szenzor fémes és strukturált felületek nagy pontosságú távolságmérésére alkalmazható.