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电子系统的鲁棒性设计 功率平衡 为了平衡性能与成本，现代重工保加利亚公司使用ANSYS多物理场解决方案 设计电力变压器及相关设备 作者 ：Petar Bozhkov 和 Yordan Botev，机电分析部门，现代重工保加利亚公司，保加利亚索非亚 电力 变 压 器 及 相 关 设 备 的 设 计 工作会比较复杂，需要满足 许多相互冲突的物理和工程 学科要求。电流产生的热量使温度升高， 会对分接头变换器的接触性能产生不利 影响。另一个关注点是减少夹板、连接 板以及其它电力变压器组件（可在结构 组件上产生损耗以及过载）的杂散涡流 损耗。此外，工程师还必须要防止电力 变压器出现短路，以免产生电磁力造成 绕组导体过载。 分接头变换器是电力变压器绕组 的连接点选择机制，能分立地选择不同 数量的线匝。通过改变变压器的匝数比 可以控制输出电压。现代重工保加利亚 公司（以下简称为现代重工）制造用在 本公司及其它公司变压器中的分接头 变换器。该公司旨在为全世界的配电站、 热电厂、水力发电厂和工业企业制造 油浸式电力变压器和分接头变换器， 并且一如既往地通过独立实验室进行的 各种测试完成其产品验证工作。现代 重工的小型化设计和可靠的技术参数可 减少变压器重量和成本。该公司是世界 领先的分接头变换器制造商，目前产量 超过 50,000 件。 ? 瞬态分析显示分接头变换器主轴上的等效 应力 设计方法 在 ANSYS Workbench 中执行参数化 功能 , 为各物理场的设计优化提供 统一环境。 过去，现代重工的工程师使用独立 的分析工具和物理测试方法设计变压器 和分接头变换器。工程师运用仿真工具 分析设备的电气、热和结构设计等各个 方面性能，但是只能分别执行每种类型 的分析，无法考虑各自之间的相互影响。 例如，电磁仿真如果不与热和结构 分析相关联，就无法确定出由涡流引起 ? 2014 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 2014年 | 第 2 期 | 第 VIII 卷 33 电子系统的鲁棒性设计 ? 三个绕组的电力变压器 现代重工已经将 工程成本降低约 5%。预计在未来 通过多物理场仿真 可实现多达 15% 的成本削减。 的热应力。 在多个仿真环境中执行测试所需的 时间较长，这意味着执行仿真的数量会 非常有限。这样就很难优化一次成功的 设计性能，另外也意味着要在试验阶段 进行昂贵的设计修改。 多物理场仿真 现代重工的工程师决定采用 ANSYS 仿真软件，因为该软件能够以统一技术 平台提供行业标准的多物理场功能以及 数据和过程管理、降阶建模和协同仿真 功能。ANSYS Workbench 可以为工程 团队提供一种协作环境，以便共同开发 多物理场解决方案。通过耦合基于电磁、 热和结构模型的 ANSYS 仿真功能， 现代重工的工程师们得以在多个领域中 评估设计方案，进行假设分析研究， 并以低成本的方式快速优化最终设计。 优化分接头变换器中的接触系统是 现代重工的工程师使用多物理场分析的 重要目的之一。流过接触点的电流较大 会使接触点的工作温度升高。 该团队采用 ANSYS Maxwell 的 低频电磁软件运行电气分析，以仿真 通过分接头变换器的电流，并且确定 接触点中的损耗。工程师输入分接头 变换器组件的材料属性，然后则根据 组件上的电压分布指定励磁以及边界 条件。用 ANSYS 软件进行稳态热分析时， 可将这些损耗作为负载，从而确定所有 接触点上的温度分布。工程师检查并确 保温度不超过 IEC 60214 分接头变换器 标准所规定的限值。对于有些分接头 变换器组件，现代重工团队使用 ANSYS Maxwell 和 ANSYS Mechanical 中的瞬态热分析功能确定温度分布， 然后在 ANSYS Mechanical 的静态 结构仿真求解器中，利用这些结果计算 热膨胀引起的应力和变形。所有这些 都在 ANSYS Workbench 环境中执行， 因此可方便地转移数据。 工程师对电力变压器有效部位的 夹板和连接板进行多物理场分析。他们 给绕组通入电流，并且运用 Maxwell 对 变压器板件和金属结构中的涡流损耗进行 预测。这些损耗为 ANSYS Mechanical 中的瞬态热分析提供负载，以确定板件 ?? 变压器母线、柔性连接和套管中的电流密度 电磁与热多物理场分析 /82balance 和金属结构中的温度分布。 工程师在分析电力变压器母线时 多了一个分析步骤 ：他们用 Maxwell 确定母线中的涡流损耗，用 ANSYS Mechanical 执行瞬态热分析，从而预测 温度分布。该温度分布数据可作为静态 ? 2014 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 2014年 | 第 2 期 | 第 VIII 卷 3