Зависимость шума трансформатора от размеров магнитной системы
Уровни звуковой мощности трансформаторов пропорциональны их массогабаритным параметрам, хотя, на практике, эта зависимость может значительно меняться под действием разного рода конструктивно-технологических факторов.
Уровень звуковой мощности трансформатора находится в прямой пропорциональной зависимости от длины стержня магнитной системы.
Рис. 6. Корректированные уровни звуковой мощности (КУЗМ), LPA, дБА, трансформаторов в зависимости от их электрической мощности 5Н (частота сети 50 Гц): 1 — КУЗМ трансформаторов стандартной конструкции, обусловленные магнитной системой; 2 — КУЗМ малошумных трансформаторов, обусловленные магнитной системой; 3 — КУЗМ малошумных трансформаторов, обусловленные обмоткой.
Lv — виброскорость, дБ (при индукции В = = 1,6 Тл, Lv = 70 дБ; снижение индукции на 0,5 Тл обеспечивает уменьшение виброскорости на 10 дБ).
Значение Lv зависит от свойств электротехнической стали, распределения поперечных магнитных потоков в углах и над средним стержнем магнитной системы, а также от высших гармоник магнитострикции и магнитного потока на отдельных участках магнитной системы, что определяет известную приближенность расчета. При прочих равных условиях, увеличение длины стержня вдвое повышает уровень звука на 6 дБ. Резонанс магнитной системы может увеличить уровень звука трансформатора на 5 дБ.
Характерным для магнитных систем трансформаторов является густой спектр собственных частот в диапазоне 1—3 кГц, обусловленных отдельными пластинами электротехнической стали. Последние не всегда монолитно стянуты, в толще магнитной системы имеются пустоты, определяемые коэффициентом заполнения стали (не менее 0,97 по ГОСТ 21427.2-83), что ведет к высокочастотным резонансным колебаниям пластин и их участков. Этим, в частности, объясняется высокий уровень звука трансформаторов с частотой питающего напряжения 400 Гц и выше.
Влияние массы и электрической мощности
Существует прямая зависимость уровней звуковой мощности трансформаторов от их электрической мощности (рис 6). Эта зависимость может меняться с изменением конструкции и материалов, индукции или массы при сохранении на прежнем уровне прочих параметров. Для геометрически подобных трансформаторов их уровень звуковой мощности пропорционален массе (М), или линейным размерам в третьей степени, а также пропорционален электрической мощности трансформатора (S) в степени 3/4.
LP= + 201gM, дБ, Lv = LQ + 151gS, дБ,
где А/ — масса магнитной системы, т; S — мощность, кВ-А; IQ, L'0 — постоянные для конкретных типов трансформаторов, которые зависят от величины индукции и конструкции.
Эти зависимости справедливы при неизменном значении магнитострикции. Отклонения от этих законов могут быть при появлении резонансов.
Влияние индукции
Уровень шума трансформатора изменяется на 3 дБ при изменении индукции на 10%. Это соотношение характерно для основной гармоники шума трансформатора. Высшие гармоники (3-я и 5-я) при снижении индукции уменьшаются быстрее: на 4— 5 дБ при снижении индукции на 10 %, что связано с улучшением синусоидальности индукции в отдельных участках магнитной системы.
Уровни вибрации и шума трансформатора зависят от характера распределения магнитных потоков по сечению сердечника.
Даже в простейшей навитой магнитной системе при синусоидальности суммарного магнитного потока, в наружном и внутреннем, относительно окна, контурах магнитной системы индукция искажена за счет третьей гармоники. Это обусловливает повышение третьей гармонической составляющей вибрации магнитной системы. При снижении индукции содержание третьей гармоники в крайних контурах уменьшается, но при этом возрастает неравномерность общей индукции (например, при В= 1,4 Тл индукция внутреннего участка магнитной системы, превышает индукцию наружного участка на 30 %).
Индукция в углах шихтованных рамных магнитных систем может достигать удвоенного значения от номинального, что является предпосылкой повышения вибраций и шума.
Для трехфазных магнитных систем характерно повышенное содержание третьей гармоники шума, что связано как с фазовым сдвигом колебаний отдельных стержней, так и с наличием значительной третьей гармоники индукции.
Повышенным шумом и вибрацией отличаются симметричные трехфазные магнитные системы из навитых магнитопроводов, где третья гармоника индукции может досыпать 40 % от основной гармоники.
Применение косого стыка в магнитных системах снижает уровень шума на 3 дБ, по сравнению с прямым стыком. При косом стыке достигается наилучшее распределение магнитного потока, и, соответственно, снижение значения магнитострикции.
Трехстержневые двухрамные магнитные системы имеют уровень шума на 3 дБ больше, по сравнению с однорамными, что вызвано изгибными колебаниями отдельных участков рам, вследствие сложного потокораспределения.
Влияние бака
Стенки бака обычно повышают уровень звука источника вибраций, т.е. активной части трансформатора, как за счет увеличения поверхности звукового излучения, так и за счет резонанса стенок бака. Это повышение характерно для низших гармоник звука. Более высокие гармоники источника, звукоизолированные баком, могут и снижаться.
Передача вибрационной энергии от активной части к стенкам бака происходит через опоры, либо другие механические элементы, а также через масло.
Из соображений механической прочности стенки баков обычно укрепляют ребрами жесткости. Максимальные вибрации имеют место в центре пластин между ребрами жесткости и зависят от значения собственной частоты пластин.
У плоских баков трансформаторов амплитуда вибрационных смещений случайно зависит от неплоскостности пластины стенки и от полученных ею механических напряжений в процессе сварочных работ.
Более закономерный характер распределения максимальных вибраций имеют круглые в плане баки.
Влияние режимов работы трансформатора
Вибрации и шум трансформаторов во многом зависят от режимов их работы.
Спектральное содержание характеристик вибрации и шума трансформаторов связано с частотой питающего напряжения. Для частоты сети 50 Гц гармонические составляющие вибрации и шума кратны частоте 100 Гц. У трехфазных трансформаторов наиболее ярко выражены первые три гармоники, у однофазных — первые две. Соответственно трансформаторы, например, на 400 Гц имеют гармонические составляющие шума и вибрации 800, 1600, 2500 и т.д. Гц.
Традиционно контроль виброакустических характеристик трансформаторов осуществляется в режиме холостого хода, т. к. преобладающим является шум, создаваемый магнитной системой.
Определенные коррективы в виброакустические параметры трансформаторов вносит их нагрузка. О влиянии обмотки уже упоминалось (оно начинает проявляться при индукции 1,4 Тл и ниже).
Емкостная нагрузка ухудшает виброакустические характеристики по сравнению с индуктивной нагрузкой. Повышенную виброактивность и уровень звука имеют преобразовательные и электропечные трансформаторы. Амплитуда и частотный состав вибрации и звука преобразовательного трансформатора зависят от типа выпрямительных устройств. Повышение уровня звука электропечных трансформаторов вызывается прерывистым режимом работы. Например, в режиме расплава шихты в печи, когда ток нагрузки трансформатора определяется прерывистой электрической дугой на электродах, увеличивается шум трансформатора как в связи с большими бросками тока, так и с повышением высокочастотных составляющих в токе.
Включение трансформатора в работу может привести к повышенному шуму вследствие остаточной намагниченности сердечника. Из-за перенасыщения сердечника уровень шума может превысить уровень при нормальной работе на 20 дБ. Снижение шума до установившегося состояния после включения может длиться до 6 часов.
Качество питающего напряжения
Определенное влияние на уровень звука оказывают высокочастотные помехи в питающем напряжении сети, в которых работают различные преобразовательные устройства. Электрические помехи в таких сетях обычно невелики, составляя доли процента от номинального напряжения. Однако, эти составляющие могут повысить уровень звука сухих трансформаторов малой и средней мощности на 20—30 дБ. Это повышение связано с резонансами отдельных пластин магнитной системы.
Борьба с этим явлением затруднительна, т. к. связана с устранением резонанса отдельных пластин активной стали, и, особенно, в углах шихтованных магнитных систем. Снижение индукции для устранения высокочастотных гармоник вибрации оказывается бесполезным: снижение индукции на 10 % снижает шум в высокочастотной области спектра на 1—2 дБ.
