变压器输入铜排短路受力仿真

王良俊，胡良果，杨光平，陈奉国

(施耐德电气中国研发中心，上海 201203)

0 引言

变频器是一种通过对电流频率进行连续调节从而实现对电机节能控制的装置。中压变频器普遍应用于采掘、水处理、冶金、化工等行业，是工业领域的重要产品。中压变频器主要由中压变压器、功率单元、控制单元等组成[1]，其中中压变压器一般为移相降压变压器。

中压变频器在运行过程中，可能因各种突发因素影响其正常运行。在变频器开发设计过程中，需要充分考虑各种可能存在的影响因素，通过理论和实验来评估和验证突发因素对变频器正常运行的影响。本文针对变压器输入铜排突发两相短路，分析输入铜排及其支架的受力情况，并进一步通过实验验证结构的可靠性，从而确保变频器可靠运行。

1 变压器输入铜排模型

1.1 变频器安装电路

图1 变频器接线图

如图1所示，变压器前端安装有断路器，断路器对整个电路进行过载监测。断路器额定耐受短路电流为31.5 kA，其触发断路时间为150 ms。在变压器输入铜排两相间发生短路的情况下，需要输入铜排及其支架耐受31.5 kA短路电流所产生的电磁力，直到断路器切断电路。

1.2 模型简化

如图2所示，变频器在运行过程中，由于突发事件导致变压器输入铜排两相间短路，短路的两相通过有效值为31.5 kA短路电流。

图2 变压器两相短路示意图

由于受力分析只考虑铜排及其支架在短路电磁力下受力情况，故忽略变压器上与输入铜排短路关联度不大的其余零件，留下输入铜排、支架和电缆，如图3所示。

图3 输入电缆、铜排、支架安装简图

同时，由于不对电缆进行强度分析，只分析电缆中的短路电磁力对输入铜排的作用，可将输入电缆简化为刚性铜棒，以简化计算。

2 短路力理论计算及有限元仿真

2.1 短路力理论计算

2.1.1 铜排受力

间距为D、长度为L的平行导体分别通过电流I1和I2，相互间的安培力[2]为：

其中，μ0=4π×10-7N/A2。

本文变压器输入铜排相对位置如图3所示，其中，L=80 mm，D=220 mm，I1=I2=44.5 kA。于是短路的两相铜排间作用力为：

2.1.2 电缆受力

根据图3可知电缆长L=515 mm，为了简化计算，取间距D=220 mm，那么短路的两相电缆间作用力：

2.1.3 单相铜排及其电缆合力

将铜排受力F1与电缆受力F2合成，如图4所示，得到一相铜排及其电缆所受合力：

图4 单相铜排及其电缆受力示意图

2.2 短路力在Maxwell和Ansys里的耦合仿真及结论

2.2.1 Maxwell中的仿真

Maxwell是Ansys家族中优秀的电磁场仿真软件，可用于电动机、变压器、传感器等电气设备的电磁设计和仿真。Maxwell可以与Ansys许多模块进行多物理场耦合。将Maxwell仿真结果中的热、电磁力等导入Ansys流体、结构等模块，可进一步分析设备温度、应力等状态要素，为设计提供参考。

本文将输入铜排和电缆三维装配导入Maxwell 3D，由于评估短路峰值电流下的受力情况，故可以将输入电流在软件中设置为短路峰值电流这一恒值。从而设置求解类型为静磁场，铜排及电缆中加载短路峰值电流44.5 kA。

Maxwell计算得到各个零件(两个铜排、两根电缆)各自所受电磁力，力方向如图5所示，力的各坐标轴分量及合力值见表1。

图5 运用Maxwell分析铜排及电缆受力情况

表1 铜排及电缆受力值

比较上述理论计算和仿真结果发现，理论计算值小于仿真分析结果。理论计算针对理想模型，忽略了实际产品的形状；同时又将电缆间距设为固定值，没有考虑进实际产品中电缆间距的变化，实际电缆间距最小处远小于理论计算所采用的间距值，而电磁力值与间距成反比，使得理论计算值偏小，造成较大偏差。经过比较，可以认为仿真短路力结果具有参考意义。可将Maxwell仿真值导入下一步针对铜排及其支架的应力分析。

2.2.2 Ansys中的仿真

将完整三维模型(包含铜排、电缆、支架)导入Ansys，通过Maxwell与Ansys耦合，读入Maxwell的分析数据——体密度力，设置支架固定点为系统边界固定点，如图6所示。计算得铜排和支架最大应力如表2所示。通过表2可以判断仿真材料应力小于许用应力，材料合格，结构可靠。

图6 Ansys中的设置

表2 铜排及支架最大应力表

3 输入铜排短路试验验证

根据试验需要，准备图7所示零件。试验接线如图8所示，输入铜排两相间连接电缆，模拟真实短路情况。通过后台控制加载31.5 kA短路电流到输入电缆，时间持续150 ms。

图7 试验用零件

图8 试验接线照片

试验后发现夹持电缆的夹子(模拟真实安装时电缆走线路径上的固定)脱落，铜排和支架无变形，见图9，试验通过。试验结果验证了输入铜排及其支架的结构能够承受31.5 kA、持续150 ms的短路电流冲击。

图9 试验后线路照片

图10为试验电路波形。表3为具体电压电流值，电流有效值31.42 kA，峰值45.01 kA。

图10 电路波形数据

表3 输入电流、电压值

4 结论

本文分析中压变频器中关键部件——变压器的输入铜排两相间短路时的受力情况。通过理论计算有限元仿真，得到受力数据，得出输入铜排及其支架能够承受短路电磁力冲击的结论，并通过实验验证了该结论的正确性。本文的仿真方法也可为需要电磁和结构强度联合仿真的情况提供参考。