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.

Digitális platformot fejleszt a Knorr-Bremse
A projekt célja olyan IoT megoldás fejlesztése és üzemeltetése, amelynek segítségével a gyártóvállalatok sikeresen megvalósíthatják folyamataik vertikális és horizontális integrációját.
Ajándék kulcsok a gépi képalkotó és azonosító termékekhez
A Cognex kedvező áron kínált gyártásautomatizálási megoldásai segítik a vállalatokat termékeik minőségének javításában, a termelési hibák kiküszöbölésében, valamint a gyártási költségek csökkentésében.
A jövő vezérlőközpontja
A DynaGridCenter projekt keretében a Siemens a tudomány és a kutatás területén aktív partnerekkel együttműködve fejlesztette ki az elektromos hálózati vezérlőközpontok következő generációját.
Ipari érintőképernyős táblaszámítógépek új generációja
Mára ezek az eszközök egy magasabb fejlettségi fokra jutva már nem csak okoskijelzőként, hanem – egyes vezérlési feladatok átvételével – önálló központi egységként is használhatók.
Műszaki webáruház integrálása a beszerzési folyamatokba
Az ipari e-beszerzések – hasonlóan a hazai kiskereskedelmi vásárlásokhoz –, exponenciális növekedést mutatnak, legyen szó az átlagos kosárértékről, a cégek nettó forgalmáról vagy éppen az elektronikus beszerzést preferáló munkatársak számáról.