一、引言

光伏发电作为清洁能源的重要支柱，装机容量持续攀升。逆变变压器作为光伏系统的核心组件，承担着电压匹配与电气隔离重任。然而，随着电站建设日益邻近居民区与工业区，其噪声问题引发的环境投诉已严重制约项目的顺利推进。

与传统变压器稳定的额定工况不同，光伏逆变变压器面临剧烈波动的运行环境。光照变化导致负载电流大幅波动，而逆变器的高频开关技术引入丰富谐波，致使铁芯磁场分布复杂，磁致伸缩呈现多频叠加特征。加之安装空间受限，难以通过单纯增大结构尺寸降噪，设计挑战巨大。

现有研究多聚焦传统工频产品，工程实践常依赖隔声罩等被动防护，未能从源头治理。因此，深入剖析光伏逆变变压器的电磁激励特性与结构响应规律，建立从激励源到声辐射的全链条控制理论，对提升产品环境适应性具有重要价值。

二、电磁激励的产生与特征

2.1 铁芯磁致伸缩变形的物理本质

变压器铁芯由硅钢片叠压而成，其在交变磁场作用下的磁致伸缩变形是振动的主要激励源。微观上，外磁场驱动内部磁畴重新取向，导致晶格常数变化，引发材料沿磁化方向周期性伸缩，其变形频率为磁场频率的两倍。磁致伸缩幅度受多重因素制约：磁场强度越高变形越大，但趋近饱和后增幅减缓；高取向度硅钢通过优化轧制工艺可显著降低变形；杂质与内应力会阻碍磁畴壁移动，加剧局部变形，故高温退火处理至关重要。此外，温度变化通过改变磁畴壁移动阻力与弹性模量，对磁致伸缩特性产生复杂影响。

2.2 绕组电磁力的形成与分布

绕组载流导体在漏磁场中受到的电磁力，是变压器振动的另一核心激励源。原副边电流相互作用产生径向与轴向力，分别导致绕组压缩扩张及端部弯曲。在交流工况下，电磁力随电流周期性变化，以两倍电流频率交变，形成持续的动态激励，其大小与电流平方及漏磁密度成正比。电磁力分布与绕组结构紧密相关。同心式绕组若圆度偏差，不均匀的径向力易引发椭圆变形；交错式绕组线饼间复杂的吸斥力则可能诱发局部振动。此外，绕组紧固状态至关重要：紧固良好可将力有效传递至铁芯与外壳，反之则导致绕组大幅变形，引发绝缘磨损或导线断裂。同时，矩形截面导线相比圆形更易产生应力集中，改变局部受力状态。

2.3 光伏工况下的谐波激励特性

光伏逆变器采用脉宽调制技术产生交流电压，输出波形包含大量高次谐波，这些谐波使变压器铁芯中的磁场呈现复杂的频谱特征。谐波磁场在铁芯中感应出涡流，涡流产生的附加磁场与主磁场叠加，改变磁场的时空分布，使磁致伸缩变形包含多个频率分量。同时，谐波电流在绕组中产生额外的电磁力分量，这些分量的频率与谐波次数相关，可能激发结构的高阶模态振动。

宽功率波动是光伏工况的另一显著特征。光照强度变化使逆变器输出功率在额定值的较大范围内频繁变动，变压器负载电流随之变化，电磁激励幅值相应波动。低负载时磁通密度降低，磁致伸缩变形减小，但谐波含量相对增加，高频振动分量可能更加突出。高负载时磁通密度接近饱和，磁致伸缩非线性增强，变形增幅趋缓但谐波畸变加剧。这种时变特性使得变压器的振动水平不是恒定值，而是随工况持续变化，给噪声控制带来额外难度。

三、振动在结构中的传递与响应

3.1 铁芯叠片中的振动传播

铁芯由大量硅钢片叠压而成，其振动传递特性取决于叠片间的接触状态。紧密接触时，层间剪切刚度大，振动以纵波快速传递且衰减较小；存在间隙时，振动受阻，部分能量在界面反射与耗散。同时，斜接缝等搭接方式虽能减小磁通畸变与局部变形，但接缝间隙易成为振动传递的薄弱环节。叠压压力是决定层间接触状态的关键工艺参数。压力过大易损伤绝缘涂层，引发片间短路和涡流损耗增加；压力不足则导致整体刚度下降，产生层间错动与摩擦噪声。理想的叠压状态需各片均匀接触，兼顾磁路完整性与力学稳定性。此外，整体紧固程度与夹件夹紧力也会改变铁芯动态特性。采用真空压力浸漆工艺，使绝缘漆充分渗透缝隙并固化，可显著提升铁芯的整体刚度与阻尼性能。

3.2 绕组结构的振动响应

绕组在电磁力作用下产生受迫振动，其响应特性取决于绕组的固有频率、模态振型和阻尼特性。绕组可以简化为由导线、绝缘材料和支撑结构组成的复合体，其动力学行为比铁芯更加复杂。绕组的径向振动模态主要表现为椭圆变形或多瓣变形，轴向振动模态主要表现为端部的弯曲或整体伸缩。当电磁力频率与绕组某阶固有频率接近时，会发生共振，响应幅值显著放大，可能造成绝缘损伤或导线疲劳。

绕组的支撑结构对振动响应有重要影响。撑条和垫块将绕组固定在铁芯窗口内，支撑间距决定了绕组的等效跨度，间距越小，绕组的固有频率越高，越不容易与电磁激励频率重合。支撑材料的弹性模量和阻尼特性影响振动能量向铁芯的传递效率，弹性较大的材料能够缓冲振动传递，但可能降低绕组的定位精度。绕组端部的绝缘结构是振动的薄弱环节，端部电场集中和机械支撑不足使其容易在电磁力作用下产生较大变形，需要采用端圈、绑扎带等加强措施。

3.3 外壳与底座的振动放大

变压器外壳作为振动传递的末端与声辐射的主要界面，其动态特性至关重要。外壳通常为钢板焊接结构，其板厚、加强筋布置及焊缝质量决定了刚度和质量分布。若内部振动频率接近外壳固有频率，将引发共振并显著放大声辐射功率。薄壁结构易产生低频板壳模态，厚壁结构虽频率较高但增加了质量。底座连接变压器与基础，直接影响振动传递。刚性底座虽稳固，但易将振动传至基础引发二次振动；弹性底座引入弹性元件虽能有效降低传递效率，却会牺牲静态稳定性。此外，螺栓或焊接等安装方式改变了边界条件及整体模态。对于户外设备，底座设计还需兼顾风载、地震等环境载荷，需综合考虑其在复合作用下的结构响应。

四、声辐射的产生与空间分布

4.1 结构表面的声辐射机理

变压器外壳表面振动时，周期性地挤压和稀疏周围空气，形成压力波动，这种压力波动以声波形式向外传播。声辐射的效率与表面振动速度、表面积和声波频率有关，振动速度越高、表面积越大、频率越高，声辐射功率越大。对于变压器这类封闭结构，外壳表面是主要的声辐射面，其振动形态决定了噪声的空间分布和频谱特征。

声辐射存在明显的指向性，即不同方向上声压级存在差异。对于平面辐射面，垂直于表面的方向声压级最高，沿表面切向的方向声压级较低。变压器外壳通常由多个平面和曲面组成，各表面的振动相位和幅值不同，声场在空间上呈现复杂的干涉图案。在靠近变压器的区域，直达声占主导，声压级较高；在远离变压器的区域，声波的扩散衰减使声压级降低，但地面反射和周围建筑物的反射可能形成声压增强区。这种空间不均匀性使得噪声评估不能仅关注总体声功率，还需要考虑敏感位置的声压水平。

4.2 不同频率成分的辐射特性

变压器噪声包含多个频率成分，各成分的辐射特性不同。基频噪声源于工频电流的电磁力，频率为两倍工频，波长较长，绕射能力强，能够穿透普通隔声结构，是噪声控制的重点和难点。谐波噪声源于高频电流分量，频率较高，指向性强，容易被障碍物遮挡，但空气吸收衰减也更大。结构共振噪声源于外壳或部件的固有模态被激发，频率取决于结构尺寸和材料，可能落在人耳敏感的中频范围，主观烦恼度较高。

低频噪声的传播距离远，对周边环境的影响范围大，但人耳对低频的敏感度相对较低。高频噪声的传播距离近，但对人耳的刺激性强，尖锐刺耳。宽频噪声包含从低频到高频的连续频谱，主观感受为低沉轰鸣。光伏逆变变压器由于谐波含量大，高频噪声分量相对突出，噪声频谱更加宽广，控制难度相应增加。

五、振动与噪声的控制策略

4.3 铁磁材料与铁芯工艺的优化

降低振动的根本途径在于减小激励源幅值。材料方面，选用低磁致伸缩系数的高牌号取向硅钢，虽成本增加，但减振效益显著；非晶合金因无晶粒结构，磁致伸缩极弱且高频损耗低，适合高频应用，但需考虑其低饱和磁密带来的尺寸增加。工艺优化同样关键。采用斜接缝或阶梯接缝设计，可有效减小接缝处磁通畸变及局部变形。均匀控制叠压压力能避免局部松动引发的附加振动，配合真空压力浸漆工艺，可显著提升铁芯整体刚度与阻尼。此外，铁芯夹件设计需兼顾夹紧力与应力分布，采用弹性或分段夹件能改善受力均匀性，避免应力集中并阻断振动传递。

4.4 绕组结构与电磁设计的改进

绕组结构的优化旨在降低电磁力激励和结构响应。优化绕组的匝数分布和导线排列，使漏磁场分布更加均匀，减小局部电磁力集中。增加绕组的径向支撑点数量，缩短支撑跨距，提高绕组的固有频率，使其远离主要电磁激励频率。在绕组端部设置加强环或绑扎带，限制端部的变形和振动。采用自粘型导线或浸渍固化工艺，提高绕组的整体性和刚度。

电磁设计方面，优化磁路结构，使磁通密度分布均匀，避免局部磁饱和。合理选择工作磁通密度，在磁性能允许范围内适当降低磁密，可以显著减小磁致伸缩变形。优化绕组排列，减小原副边之间的漏磁通，降低绕组电磁力。对于谐波激励，可以通过优化逆变器的调制策略，减小输出电流的谐波含量，从源头上降低高频振动分量。

4.5 结构阻尼与振动隔离措施

当激励难以彻底消除时，增加结构阻尼是抑制振动的有效手段。一方面，可选用高阻尼绝缘漆或在铁芯叠片间引入粘弹性材料，增强层间摩擦阻尼；另一方面，利用高阻尼绝缘垫块缓冲绕组与铁芯间的振动传递，并在外壳内壁涂覆阻尼涂料或采用约束阻尼结构，通过粘弹性层的剪切变形大量耗散弯曲振动能量。振动隔离则通过在变压器与基础间设置弹性支撑降低传递效率。需依据质量与激励频率匹配刚度和阻尼，确保系统处于隔振区，针对宽频激励可采用多层或多自由度隔振系统。此外，主动隔振技术利用传感器与作动器实时产生反向力抵消振动，虽成本较高，但在精密应用场合效果显著。

4.6 声辐射面的声学处理

降低声辐射效率是控制变压器噪声的直接途径。首先应优化外壳几何设计，避免大面积平面，采用曲面或加筋结构以改变振动模态与声辐射指向性；同时增加板厚或采用双层壳体，提升面密度与隔声量。在辐射面覆盖钢板、铅板等高密度隔声材料，或玻璃棉、岩棉等多孔吸声材料，可有效增强声波的反射与吸收。针对通风口与电缆引出口等必要开口，需配置消声弯头、消声百叶或微穿孔板等消声结构，在保障通风散热的同时增加声波传播损失。电缆穿线处应使用弹性密封材料，既保证密封性又阻断振动传递。此外，外壳接缝与螺栓连接处宜采用连续焊接或弹性密封条，严防声泄漏。综合应用上述措施，可在不显著增加体积与重量的前提下，有效降低噪声辐射。

六、结论与展望

本文针对光伏逆变变压器的振动与噪声问题，从电磁激励、结构传递及声辐射三个维度进行了理论分析。研究表明，其振动源于磁致伸缩与绕组电磁力的共同作用，且宽功率波动与高频谐波加剧了激励的复杂性。振动经由铁芯、绕组及外壳传递，受材料特性、叠压工艺及边界条件显著影响。通过材料优选、结构优化及阻尼增强等综合策略，可有效实现降噪控制。

未来研究建议聚焦以下方向：一是新材料开发，研制低磁致伸缩、高饱和磁密的纳米晶合金等，从源头抑制激励；二是智能控制，建立基于实时监测的主动调节系统，实现运行工况下的振动在线优化；三是多物理场耦合，构建电磁-热-力-声耦合模型，解析温升与老化对噪声的动态影响；四是系统集成，协同变压器振动控制与逆变器电磁兼容及热管理设计。这些突破将推动设备向高效、静音、高可靠性发展，助力光伏产业可持续进步。

参考文献

[1] 常富,师永强,王誉蓉,等. 油浸式变压器器身隔振技术研究[J]. 噪声与振动控制,2025,45(4).

[2] 唐帅. 变压器的振动噪声特性及降噪措施[J]. 电声技术,2024,48(10).

[3] 韩学,宋文乐,刘杨,等. 不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析[J]. 大电机技术,2023(1).

[4] 钟思翀,祝丽花,王前超,等. 电力变压器振动噪声分析及其有源降噪[J]. 电工技术学报,2022,37(z1).