換流變壓器振動(dòng)的諧波影響機(jī)理與抑制新方法研究

本項(xiàng)目研究的感應(yīng)濾波換流變壓器是一種集成了感應(yīng)濾波技術(shù)的新型換流變壓器。旨在從諧波源處就近對(duì)諧波進(jìn)行濾除，使得絕大部分的特征次諧波被屏蔽于閥側(cè)繞組，網(wǎng)側(cè)繞組中幾乎沒有諧波流過，從而達(dá)到抑制繞組電磁振動(dòng)的作用。對(duì)換流變壓器的諧波電流與繞組電磁振動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行研究，揭示在諧波條件下感應(yīng)濾波換流變壓器對(duì)繞組電磁振動(dòng)的抑制作用。圍繞上述問題，本項(xiàng)目完成了如下研究工作： (1) 研究了感應(yīng)濾波換流變壓器的接線方案和濾波機(jī)理，推導(dǎo)了感應(yīng)濾波換流變壓器的電壓電流傳遞方程和繞組的匝比關(guān)系； (2) 通過對(duì)畢奧-沙瓦定律和拉格朗日定理的詳細(xì)比較，確定了采用拉格朗日定理對(duì)感應(yīng)濾波換流變壓器進(jìn)行繞組電磁力計(jì)算。 (3)建立了變壓器繞組和鐵心的有限元模型，確定了模態(tài)分析的方法，并分析了對(duì)感應(yīng)濾波換流變壓器振動(dòng)模態(tài)分析的基本思路。 (4) 建立了諧波條件下繞組振動(dòng)的有限元模型，經(jīng)過有限元計(jì)算得到了在四種工況下繞組的振動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果表明，感應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)各個(gè)繞組的振動(dòng)有明顯的抑制作用 (5)經(jīng)有限元計(jì)算得到了各個(gè)繞組在兩種直流侵入方式下的振動(dòng)特性。 (6)確定了感應(yīng)濾波技術(shù)在降低換流變壓器鐵心振動(dòng)上的理論依據(jù)。 (7) 完成了試驗(yàn)變壓器的設(shè)計(jì)、制造；通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲得了新型換流變壓器各種情況下的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

高壓直流輸電工程中換流變壓器噪聲嚴(yán)重超標(biāo)，影響環(huán)境，必須予以治理。以往的治理方法沒有治本，且代價(jià)大。換流器產(chǎn)生的諧波和直流偏磁是換流變壓器振動(dòng)加劇的根本原因。新型換流變壓器擬利用申請(qǐng)者兩個(gè)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00910043186.8和200910311197.X）的原理，降低換流變壓器鐵芯與繞組的振動(dòng)，但需要開展如下前瞻性研究：（1）諧波和直流偏磁引起換流變壓器電磁振動(dòng)加劇的機(jī)理；(2)諧波主、漏磁通及諧波電流相互作用形成的復(fù)雜電磁力作用于鐵心及繞組（振動(dòng)模態(tài)）產(chǎn)生怎樣的振動(dòng)效果；(3)新型換流變壓器原理樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)研究。通過本項(xiàng)目研究，將（1）提出換流變壓器器身電磁振動(dòng)機(jī)理的理論；（2）得到考慮諧波和直流偏磁條件下?lián)Q流變壓器器身振動(dòng)的計(jì)算模型；（3）提出通過抑制變壓器諧波磁通來抑制換流變壓器器身振動(dòng)的方法；（4）研發(fā)380V，100kVA，12脈波低噪聲換流變壓器原理樣機(jī)一臺(tái)。

在大功率永磁電機(jī)和高速永磁電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，以及中小功率永磁交流伺服電機(jī)在一些高端領(lǐng)域的應(yīng)用中，永磁電機(jī)的噪音和振動(dòng)的問題（NVH）已經(jīng)引起了國內(nèi)外的關(guān)注。本項(xiàng)目主要研究各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)和永磁交流伺服電機(jī)的電磁噪音和振動(dòng)問題，以及噪音振動(dòng)的動(dòng)態(tài)抑制技術(shù)。在電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的層面上，研究永磁電機(jī)的電磁噪音和振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，計(jì)算方法，和噪音振動(dòng)的電機(jī)優(yōu)化技術(shù)和動(dòng)態(tài)抑制技術(shù)。對(duì)這一基礎(chǔ)問題的研究，將進(jìn)一步完善永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)和分析手段，促進(jìn)無刷直流電機(jī)和交流伺服電機(jī)在航空航天，艦船推動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容包括：永磁電機(jī)電磁噪音和振動(dòng)的分析和計(jì)算方法的研究；永磁電機(jī)電磁噪音振動(dòng)的動(dòng)態(tài)抑制技術(shù)研究；各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)的噪音振動(dòng)特性和優(yōu)化技術(shù)的研究；各種齒槽配合的噪音振動(dòng)特性的研究；永磁電機(jī)在各種運(yùn)行模式下的噪音振動(dòng)特性和抑制技術(shù)的研究。 2100433B

在鉆探領(lǐng)域，硬巖鉆進(jìn)存在鉆進(jìn)效率低、鉆頭壽命短、鉆井成本高等問題。超聲波振動(dòng)作用可使巖石內(nèi)部快速產(chǎn)生損傷或裂紋，巖石強(qiáng)度大幅度下降，從而降低破碎難度，提高巖石破碎效率。通過采用數(shù)值模擬方法，對(duì)超聲波振動(dòng)破碎硬巖過程進(jìn)行模擬分析，從理論上探索超聲波振動(dòng)下巖石裂紋的形成與擴(kuò)展規(guī)律，運(yùn)用試驗(yàn)研究手段，探究靜壓力、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)力、振動(dòng)頻率等超聲波振動(dòng)參數(shù)對(duì)巖石破碎效果的影響，獲取各參數(shù)的最優(yōu)取值區(qū)間。經(jīng)研究，成功研制了超聲波振動(dòng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，通過理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，以巖石的細(xì)觀損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞破碎理論、共振碎巖理論，分析巖石在超聲波振動(dòng)下的受力過程、力與巖石裂紋形成的關(guān)系，建立了超聲波振動(dòng)過程及花崗巖裂紋變化特性的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)巖石脅迫響應(yīng)的振幅與施加載荷的幅值成比例并得出公式。運(yùn)用有限元軟件、離散元軟件對(duì)超聲波振動(dòng)巖石內(nèi)部裂紋的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)行建模計(jì)算得出了演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)拉伸破壞是裂紋失效的主要機(jī)制，擴(kuò)展多沿與載荷加方向平行方向，且沿與加載方向成60°方向?；诤舜殴舱駲z測(cè)、熱紅外成像、滲透探傷法和數(shù)字圖片處理技術(shù)等檢測(cè)技術(shù)開展超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲取了超聲波振動(dòng)碎巖的裂紋衍生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖樣內(nèi)的孔隙隨超聲波振動(dòng)次數(shù)的變化呈現(xiàn)出彈性形變、起裂擴(kuò)展、貫通破壞三個(gè)階段，探究了振動(dòng)碎巖參數(shù)對(duì)碎巖效果影響，發(fā)現(xiàn)振幅、靜壓力、時(shí)間均存在閾值，選取高于閾值的振動(dòng)參數(shù)及接近固有頻率的振動(dòng)頻率，能夠獲得最優(yōu)的超聲波振動(dòng)碎巖效果。通過研究獲取了巖石在超聲波振動(dòng)下的強(qiáng)度下降的規(guī)律、巖石損傷規(guī)律、最優(yōu)碎巖振動(dòng)參數(shù)，補(bǔ)充了領(lǐng)域空白，為超聲波振動(dòng)技術(shù)在工程實(shí)踐中解決硬巖鉆進(jìn)難題提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，具有較大的實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值。 2100433B