變壓器輸入銅排短路受力仿真

王良俊，胡良果，楊光平，陳奉國(guó)

(施耐德電氣中國(guó)研發(fā)中心，上海 201203)

0 引言

變頻器是一種通過(guò)對(duì)電流頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)節(jié)能控制的裝置。中壓變頻器普遍應(yīng)用于采掘、水處理、冶金、化工等行業(yè)，是工業(yè)領(lǐng)域的重要產(chǎn)品。中壓變頻器主要由中壓變壓器、功率單元、控制單元等組成[1]，其中中壓變壓器一般為移相降壓變壓器。

中壓變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，可能因各種突發(fā)因素影響其正常運(yùn)行。在變頻器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮各種可能存在的影響因素，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估和驗(yàn)證突發(fā)因素對(duì)變頻器正常運(yùn)行的影響。本文針對(duì)變壓器輸入銅排突發(fā)兩相短路，分析輸入銅排及其支架的受力情況，并進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性，從而確保變頻器可靠運(yùn)行。

1 變壓器輸入銅排模型

1.1 變頻器安裝電路

圖1 變頻器接線圖

如圖1所示，變壓器前端安裝有斷路器，斷路器對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行過(guò)載監(jiān)測(cè)。斷路器額定耐受短路電流為31.5 kA，其觸發(fā)斷路時(shí)間為150 ms。在變壓器輸入銅排兩相間發(fā)生短路的情況下，需要輸入銅排及其支架耐受31.5 kA短路電流所產(chǎn)生的電磁力，直到斷路器切斷電路。

1.2 模型簡(jiǎn)化

如圖2所示，變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，由于突發(fā)事件導(dǎo)致變壓器輸入銅排兩相間短路，短路的兩相通過(guò)有效值為31.5 kA短路電流。

圖2 變壓器兩相短路示意圖

由于受力分析只考慮銅排及其支架在短路電磁力下受力情況，故忽略變壓器上與輸入銅排短路關(guān)聯(lián)度不大的其余零件，留下輸入銅排、支架和電纜，如圖3所示。

圖3 輸入電纜、銅排、支架安裝簡(jiǎn)圖

同時(shí)，由于不對(duì)電纜進(jìn)行強(qiáng)度分析，只分析電纜中的短路電磁力對(duì)輸入銅排的作用，可將輸入電纜簡(jiǎn)化為剛性銅棒，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

2 短路力理論計(jì)算及有限元仿真

2.1 短路力理論計(jì)算

2.1.1 銅排受力

間距為D、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的平行導(dǎo)體分別通過(guò)電流I1和I2，相互間的安培力[2]為：

其中，μ0=4π×10-7N/A2。

本文變壓器輸入銅排相對(duì)位置如圖3所示，其中，L=80 mm，D=220 mm，I1=I2=44.5 kA。于是短路的兩相銅排間作用力為：

2.1.2 電纜受力

根據(jù)圖3可知電纜長(zhǎng)L=515 mm，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取間距D=220 mm，那么短路的兩相電纜間作用力：

2.1.3 單相銅排及其電纜合力

將銅排受力F1與電纜受力F2合成，如圖4所示，得到一相銅排及其電纜所受合力：

圖4 單相銅排及其電纜受力示意圖

2.2 短路力在Maxwell和Ansys里的耦合仿真及結(jié)論

2.2.1 Maxwell中的仿真

Maxwell是Ansys家族中優(yōu)秀的電磁場(chǎng)仿真軟件，可用于電動(dòng)機(jī)、變壓器、傳感器等電氣設(shè)備的電磁設(shè)計(jì)和仿真。Maxwell可以與Ansys許多模塊進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合。將Maxwell仿真結(jié)果中的熱、電磁力等導(dǎo)入Ansys流體、結(jié)構(gòu)等模塊，可進(jìn)一步分析設(shè)備溫度、應(yīng)力等狀態(tài)要素，為設(shè)計(jì)提供參考。

本文將輸入銅排和電纜三維裝配導(dǎo)入Maxwell 3D，由于評(píng)估短路峰值電流下的受力情況，故可以將輸入電流在軟件中設(shè)置為短路峰值電流這一恒值。從而設(shè)置求解類型為靜磁場(chǎng)，銅排及電纜中加載短路峰值電流44.5 kA。

Maxwell計(jì)算得到各個(gè)零件(兩個(gè)銅排、兩根電纜)各自所受電磁力，力方向如圖5所示，力的各坐標(biāo)軸分量及合力值見(jiàn)表1。

圖5 運(yùn)用Maxwell分析銅排及電纜受力情況

表1 銅排及電纜受力值

比較上述理論計(jì)算和仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算值小于仿真分析結(jié)果。理論計(jì)算針對(duì)理想模型，忽略了實(shí)際產(chǎn)品的形狀；同時(shí)又將電纜間距設(shè)為固定值，沒(méi)有考慮進(jìn)實(shí)際產(chǎn)品中電纜間距的變化，實(shí)際電纜間距最小處遠(yuǎn)小于理論計(jì)算所采用的間距值，而電磁力值與間距成反比，使得理論計(jì)算值偏小，造成較大偏差。經(jīng)過(guò)比較，可以認(rèn)為仿真短路力結(jié)果具有參考意義?？蓪axwell仿真值導(dǎo)入下一步針對(duì)銅排及其支架的應(yīng)力分析。

2.2.2 Ansys中的仿真

將完整三維模型(包含銅排、電纜、支架)導(dǎo)入Ansys，通過(guò)Maxwell與Ansys耦合，讀入Maxwell的分析數(shù)據(jù)——體密度力，設(shè)置支架固定點(diǎn)為系統(tǒng)邊界固定點(diǎn)，如圖6所示。計(jì)算得銅排和支架最大應(yīng)力如表2所示。通過(guò)表2可以判斷仿真材料應(yīng)力小于許用應(yīng)力，材料合格，結(jié)構(gòu)可靠。

圖6 Ansys中的設(shè)置

表2 銅排及支架最大應(yīng)力表

3 輸入銅排短路試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)需要，準(zhǔn)備圖7所示零件。試驗(yàn)接線如圖8所示，輸入銅排兩相間連接電纜，模擬真實(shí)短路情況。通過(guò)后臺(tái)控制加載31.5 kA短路電流到輸入電纜，時(shí)間持續(xù)150 ms。

圖7 試驗(yàn)用零件

圖8 試驗(yàn)接線照片

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)夾持電纜的夾子(模擬真實(shí)安裝時(shí)電纜走線路徑上的固定)脫落，銅排和支架無(wú)變形，見(jiàn)圖9，試驗(yàn)通過(guò)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了輸入銅排及其支架的結(jié)構(gòu)能夠承受31.5 kA、持續(xù)150 ms的短路電流沖擊。

圖9 試驗(yàn)后線路照片

圖10為試驗(yàn)電路波形。表3為具體電壓電流值，電流有效值31.42 kA，峰值45.01 kA。

圖10 電路波形數(shù)據(jù)

表3 輸入電流、電壓值

4 結(jié)論

本文分析中壓變頻器中關(guān)鍵部件——變壓器的輸入銅排兩相間短路時(shí)的受力情況。通過(guò)理論計(jì)算有限元仿真，得到受力數(shù)據(jù)，得出輸入銅排及其支架能夠承受短路電磁力沖擊的結(jié)論，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)論的正確性。本文的仿真方法也可為需要電磁和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度聯(lián)合仿真的情況提供參考。