Шум трансформаторов вызывается вибрацией активной части, а также вентиляторами и насосами.
Вибрация активной части обусловлена магнитострикционными и магнитными силами в магнитной системе и динамическими силами в обмотках. В трансформаторах преобладает магнитострикционная составляющая вибрации. В магнитных системах реакторов, имеющих немагнитные зазоры, могут преобладать магнитные силы тяжения в зазорах.
Магнитострикция
Магнитострикцией называют явление деформации кристаллической решетки магнитного материала при его намагничивании. В процессе возрастания индукции сначала происходит смещение границ кристаллов материала, а затем их вращение, что ведет к изменению линейных размеров стали. Измеряется магнитострикция в относительных единицах изменения длины X = Д//7. Магнитострикционное удлинение листа стали может достигать нескольких десятков микрон на один метр длины.
При перемагничивании магнитной системы трансформаторов, индукция в ней достигает максимума дважды за один период частоты переменного тока, что соответствует двукратному изменению длины листов стали магнитной системы. Это ведет к периодическим колебаниям магнитной системы на удвоенной частоте переменного электрического тока.
Магнитострикция может быть монотонно положительной, т.е. вызывающей удлинение стали с возрастанием индукции, и, монотонно отрицательной, приводящей к уменьшению линейных размеров стали с возрастанием индукции. В промежуточном случае, магнитострикция может изменять свой знак с ростом индукции.
Магнитострикция содержит, кроме первой, также и высшие гармоники, что является предпосылкой гармонических составляющих шума трансформатора.
Фактическое значение магнитострикции электротехнической стали, применяемой для магнитных систем трансформаторов, изменяется в широких пределах, в зависимости от марки стали, изготовителя и пр.
Говоря о значении магнитострикции, обычно имеют в виду некоторое среднее (по длине листа) максимальное значение, соответствующее определенной индукции без учета гармонических составляющих.
Магнитострикция современной анизотропной стали находится в диапазоне от — 1,0 • 10~6 до 1,5 • 10-6 (при индукции 1,5 Тл).
Магнитострикция стали типа 3404, 3405, 3406 составляет (0,7—0,9)- 10~6 при 1,5 Тл. Сталь марки Hi-B имеет магнитострикцию в диапазоне от —1 • 10~6 до 0,5 • 10-6 при 1,5 Тл.
Стали со специальным растягивающим покрытием имеют магнитострикцию 0,4 • 10~6.
Технические условия на сталь марок 3407 и 3408 1арантируют значения магнитострикции не более 1,5* 10-6 при индукции 1,7 Тл (магнитострикция горячекатанной стали в 10—20 раз выше).
Наименьшие значения магнитострикции соответствуют намагничиванию стали в направлении прокатки. При намагничивании анизотропной стали под углом 90° к направлению прокатки магнитострикция увеличивается в 10—15 раз.
Магнитострикция уменьшается с увеличением содержания кремния в стали. При 6% она становится равной нулю. Но такая сталь имеет большую хрупкость, что делает ее неприемлемой.
Отжиг стали улучшает ее магнитострикционные характеристики. Наилучшие результаты дает отжиг в вакууме.
Механические воздействия существенно увеличивают магнитострикцию. Например, удар по образцу стали грузом 300г с высоты 2 см 5 раз может повысить магнитострикцию с —0,9 * 10~6 до 1,2 • 10~6. Аналогичное влияние на сталь имеет ее резка. Сильное воздействие оказывает сжатие листа в направлении прокатки. При напряжении сжатия 20 кГ/см2 магнитострикция увеличивается в 5 раз.
Магнитострикция аморфной стали зависит от ее химического состава. Некоторые ее сплавы имеют магнитострикцию, близкую к нулю. Магнитные системы, выполненные из ленточной аморфной стали, с точки зрения ее шума, не самые лучшие, вследствие рыхлой структуры такой магнитной системы.
Электромагнитные силы
Магнитная система
Вместе с силами магнитострикционного происхождения, магнитная система испытывает воздействие сил магнитного притяжения. Наиболее ярко магнитные силы проявляются в стыковых соединениях. В шихтованных магнитных системах магнитный поток вынужден перетекать из листа в лист в воздушном или масляном зазорах, образующихся за счет неплотной стыковки листов стал и. При этом возникают поперечные силы, приводящие к изгибным колебаниям листов. Поскольку листы стали на участках, соседствующих с зазорами, перенасыщаются, здесь увеличиваются также и магнитострикционные силы.
Силы магнитного притяжения преобладают в реакторах, где магнитная система имеет немагнитные зазоры.
Обмотка
Одним из источников шума трансформаторов является обмотка, проводники которой вибрируют под действием сил взаимного притяжения при протекании в них переменного тока в режиме нагрузки.
Кроме того, обмотка испытывает воздействия сил, вызванных протекающим в ней током и магнитным потоком рассеяния. Эти силы действуют как в поперечном, так и, особенно, в продольном по отношению к обмотке направлениях.
Генерирующими звук поверхностями здесь являются торцевые части обмоток, прессующие кольца, ярмовые балки, детали крепления.
До последнего времени шуму обмотки не придавалось значения, поскольку при индукции порядка 1,5—1,7 Тл он значительно ниже шума магнитной системы. При создании малошумных трансформаторов обычно идут на снижение индукции, что может оказаться и экономически целесообразным, учитывая как пониженные потери холостого хода, так и устранение необходимости создания внешних устройств шумоподавления. Однако, при индукции порядка 1,4 Тл у мощных трансформаторов начинает преобладать шум, создаваемый обмотками.
Шум, обусловленный обмоткой, зависит оттока нагрузки. Например, при токе, составляющем 70 % номинального, шум трансформатора на 6 дБ меньше, чем при номинальном токе.
Частотный спектр звука обмотки при синусоидальном токе содержит почти исключительно кратную промышленной частоте гармонику (100 Гц для сети 50 Гц), в отличие от звука магнитной системы, который содержит большие дополнительные составляющие звука — гармоники от 2-й до 5-й двойной промышленной частоты.
