基于磁流变脂的电力变压器减振装置设计.pdf
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1、:/基于磁流变脂的电力变压器减振装置设计鲁新生 徐胜 葛晨 任杰(.南京国电南自电网自动化有限公司 江苏 南京.国电南京自动化股份有限公司 江苏 南京)摘 要:电力变压器在运行过程中会产生噪声 安装减振装置是控制噪声的有效手段之一 针对现有电力变压器减振装置阻尼不可调的缺点 设计一款新型磁流变脂减振器首先分析变压器振动噪声产生机理和磁流变脂力学特性 论证了减振的可行性 然后设计减振器的结构并进行磁场仿真 结果显示所设计的电磁场可以满足磁流变脂的调控需求 改变线圈电流可调整减振器阻尼大小 最后设计自适应模糊 控制算法 根据加速度传感器采集到的振动信号调整输出电流 以获得更好的减振效果 仿真结果表
2、明 该算法超调量低、鲁棒性好 为电力变压器的噪声控制提供一种可行的变阻尼减振方案关键词:变压器 振动噪声 磁流变脂 减振器 模糊 中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:(.):.:引言电能是当代社会生产、生活的基础 变压器作为电力系统的重要设备之一 广泛存在于我们身边 变压器在正常工作过程中 会因振动而产生噪声 噪声沿支架、地基、设备舱等传播 产生的噪声污染不仅会干扰社会正常的生产生活秩序 还会影响人们的身心健康 目前变压器的振动噪声第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月控制研究主要有变压器结构优化和噪声传播路径控制两个方面 变压器结构优化有着成本增加和噪声抑制有限的缺点 噪
3、声传播路径控制主要有减振、隔声、吸声和消音等方法 目前的研究主要集中在减振和消音两个方面 本文以减振为目标进行变压器振动噪声控制研究 现阶段的变压器减振装置设计多采用橡胶垫、阻尼器、连杆、弹簧等零件的组合 并取得了一定的减振降噪效果 但也存在着支撑力不足、受温度影响明显、结构复杂、故障率高等缺点 研究表明 变压器振动噪声音量大小与负载大小成正比 白天和夜晚的用电负载不同变压器的振动情况也有所不同 传统变压器减振器阻尼不可调 无法适应多种工况、多种类型变压器的振动噪声控制 所以本文以结构简单、输出阻尼力可调、响应迅速为目标 进行电力变压器减振装置的设计磁流变材料是智能材料的一种 由微米级的软磁颗
4、粒均匀分散在高分子材料基体中制成 磁流变材料的力学特性 如屈服强度、储能模量、耗能模量等 会随周围磁场的变化而变化 具有连续、瞬时、可逆的特点 利用磁流变材料的这一特性设计的减振器 配合线圈生成可控电磁场 可以输出连续可调的阻尼力 且响应速度快、能耗低 在电力变压器减振方面有较好的应用前景设计基于磁流变脂的电力变压器减振装置 可有效降低变压器运行过程中的振动噪声 首先分析变压器的噪声产生机理 其次进行磁流变脂的材料制备和测试 介绍磁流变脂的减振原理 再次 基于 模型分析阻尼影响因素 设计减振器结构并进行电磁场仿真 最后 基于模糊控制进行减振器控制算法研究 进行自适应模糊 控制的 仿真 变压器振
5、动噪声机理电力变压器的振动噪声主要由三部分组成:铁心振动、绕组振动、冷却设备振动铁心振动是变压器振动噪声产生的主要原因组成铁心的硅钢片在磁化过程中会发生尺寸和体积的改变 这种形态的改变被称为磁致伸缩效应 磁致伸缩是所有磁性材料的基本物理效应之一 无法避免 在变压器的运行过程中 铁心在交变磁通作用下发生周期性的伸缩 引起周期性振动 对于多级接缝铁心结构 在分析振动噪声时还需考虑接缝处的电磁力 山东大学张黎等人建立了适用于晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩模型 由磁致伸缩引起的铁心硅钢片振动加速度为:()()()式中 为铁心长度 为铁心硅钢片饱和磁感应强度 为变压器运行电压 为电压频率 为匝数 为铁心横截
6、面积 为铁心饱和磁感应强度由式()可知 振动加速度基频为 倍电源频率 我国电压频率为 基频为 这与河北工业大学李彩莲测得的噪声频谱相符合通有交变电流的绕组线圈 受到变压器内部漏磁场产生的电磁力作用而产生绕组振动 作用在绕组上的电磁力可描述为:()()式中 为电磁力系数 为负载电流幅值 为初始相位由公式()可得 绕组受到的电磁力由正弦量和常量组成 频率与铁心振动相同 当电流中含有谐波时 绕组振动频率会更加复杂变压器在工作过程中会产生大量的热 需配备相应冷却设备 油泵、风机等设备的振动会使变压器振动更加复杂 且无明显频率特征 如油泵、风机噪声有气动噪声、管道辐射噪声、电动机和机壳噪声等 磁流变脂的
7、制备及减振原理磁流变脂以润滑脂为基体 由磁性颗粒、基础油、稠化剂和添加剂组成 磁流变脂中含有大量呈三维网状结构的皂化纤维 磁性颗粒被三维网状结构约束 具有更好的沉降稳定性 比磁流变液更具工程应用价值 从皂化反应入手制备磁流变脂 原材料主要包括二甲基硅油、羰基铁粉、羟基硬脂酸、癸二酸、一水合氢氧化锂和二苯胺 制备过程分为搅拌、皂化、脱水、稠化、球磨等阶段使用安东帕 型流变仪进行磁流变脂的流变性能测试 根据变压器振动特点 选择振荡模式进行测试 测试间隙 、温度 分别采用运动黏度为 /、/、/和 /的基础油制备羰基铁粉质量分数为、稠化剂质量分数为 的复合锂基磁流变脂进行流变性能测试 测得 种试样黏度
8、和剪切应力随磁感应强度变化关系如图 所示第 卷第 期 鲁新生等:基于磁流变脂的电力变压器减振装置设计 年 月图 磁流变脂剪切应力随磁感应强度的 变化由图 可得 随着磁感应强度的增加 剪切应力也随之增大 增长过程可以分为两个阶段:增长区和稳定区 当磁感应强度较小时()磁流变脂剪切应力增长幅度较大 随着磁感应强度的进一步增加()磁流变脂的增长幅度减小 逐渐趋于稳定 随着磁感应强度的增加 磁性颗粒在磁场的作用下快速沿磁场方向排列成链链状结构阻碍了磁流变脂的流动 当磁感应强度进一步增大时 所形成的链状结构强度也随之增大使得破坏链状结构所需的剪切应力随之增大 表现为黏度和剪切应力的增加 当磁感应强度足够
9、大时 磁性颗粒达到磁饱和状态 磁化率基本为零磁流变脂的黏度和剪切应力基本保持不变 选用运动黏度为 /的二甲基油配制的磁流变脂剪切应力在 磁感应强度下达到饱和如图 所示 以磁流变脂为介质设计的减振器主要有三种工作模式:剪切式、流动式、挤压式()剪切模式 ()流动模式()挤压模式图 磁流变脂工作模式剪切模式即磁流变脂位于两极板之间 两极板的相对运动产生剪切力使磁流变脂产生变形 流动模式下两极板静止 磁流变脂从两极板间流过 挤压模式下的磁流变脂受两极板的挤压而流动 其中挤压模式可产生较大阻尼力 更加适用于电力变压器质量大的特点 故采用挤压式的工作模式进行磁流变脂减振器的设计 磁流变脂减振器结构设计
10、减振器阻尼力模型输出阻尼力和阻尼力动态范围是评判减振器性能的重要指标 针对电力变压器体积大、质量大的特点 减振器需具有较大的输出阻尼力 基于 黏塑性模型 忽略出入口压降和线圈间隙黏性压降 可以推导出减振器的输出阻尼力为:/()/()式中 为活塞面积 为减振器的输出阻尼力为黏性力 为屈服力 为磁流变脂密度 为达西摩擦系数 为磁流变脂通道有效长度 为磁流变通道内的平均流体速度 为磁流变通道直径 为磁流变脂屈服强度 为活塞杆速度为磁流变脂通道横截面积从式()可知 磁流变脂减振器的输出阻尼力与活塞面积、磁流变脂通道有效长度、磁流变脂屈服强度、磁流变脂密度、活塞运动速度等因素正相关 与磁流变脂通道直径负
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