换流变压器振动的谐波影响机理与抑制新方法研究

本项目研究的感应滤波换流变压器是一种集成了感应滤波技术的新型换流变压器。旨在从谐波源处就近对谐波进行滤除，使得绝大部分的特征次谐波被屏蔽于阀侧绕组，网侧绕组中几乎没有谐波流过，从而达到抑制绕组电磁振动的作用。对换流变压器的谐波电流与绕组电磁振动的关系进行研究，揭示在谐波条件下感应滤波换流变压器对绕组电磁振动的抑制作用。围绕上述问题，本项目完成了如下研究工作： (1) 研究了感应滤波换流变压器的接线方案和滤波机理，推导了感应滤波换流变压器的电压电流传递方程和绕组的匝比关系； (2) 通过对毕奥-沙瓦定律和拉格朗日定理的详细比较，确定了采用拉格朗日定理对感应滤波换流变压器进行绕组电磁力计算。 (3)建立了变压器绕组和铁心的有限元模型，确定了模态分析的方法，并分析了对感应滤波换流变压器振动模态分析的基本思路。 (4) 建立了谐波条件下绕组振动的有限元模型，经过有限元计算得到了在四种工况下绕组的振动特性，计算结果表明，感应滤波技术对各个绕组的振动有明显的抑制作用 (5)经有限元计算得到了各个绕组在两种直流侵入方式下的振动特性。 (6)确定了感应滤波技术在降低换流变压器铁心振动上的理论依据。 (7) 完成了试验变压器的设计、制造；通过振动实验，获得了新型换流变压器各种情况下的振动测试结果，并进行了数据分析。

高压直流输电工程中换流变压器噪声严重超标，影响环境，必须予以治理。以往的治理方法没有治本，且代价大。换流器产生的谐波和直流偏磁是换流变压器振动加剧的根本原因。新型换流变压器拟利用申请者两个发明专利（申请号：200910043186.8和200910311197.X）的原理，降低换流变压器铁芯与绕组的振动，但需要开展如下前瞻性研究：（1）谐波和直流偏磁引起换流变压器电磁振动加剧的机理；(2)谐波主、漏磁通及谐波电流相互作用形成的复杂电磁力作用于铁心及绕组（振动模态）产生怎样的振动效果；(3)新型换流变压器原理样机试制和实验研究。通过本项目研究，将（1）提出换流变压器器身电磁振动机理的理论；（2）得到考虑谐波和直流偏磁条件下换流变压器器身振动的计算模型；（3）提出通过抑制变压器谐波磁通来抑制换流变压器器身振动的方法；（4）研发380V，100kVA，12脉波低噪声换流变压器原理样机一台。

在大功率永磁电机和高速永磁电机的实际应用中，以及中小功率永磁交流伺服电机在一些高端领域的应用中，永磁电机的噪音和振动的问题（NVH）已经引起了国内外的关注。本项目主要研究各种拓扑结构的无刷直流电机和永磁交流伺服电机的电磁噪音和振动问题，以及噪音振动的动态抑制技术。在电机设计和控制的层面上，研究永磁电机的电磁噪音和振动的产生机理，计算方法，和噪音振动的电机优化技术和动态抑制技术。对这一基础问题的研究，将进一步完善永磁电机的设计技术和分析手段，促进无刷直流电机和交流伺服电机在航空航天，舰船推动和伺服驱动等高端领域的应用。主要研究内容包括：永磁电机电磁噪音和振动的分析和计算方法的研究；永磁电机电磁噪音振动的动态抑制技术研究；各类拓扑结构的永磁电机的噪音振动特性和优化技术的研究；各种齿槽配合的噪音振动特性的研究；永磁电机在各种运行模式下的噪音振动特性和抑制技术的研究。 2100433B

在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。 2100433B