Снижение шума трансформаторов связано с решением задач из области акустики, вибрации, динамики, механики, материаловедения и, конечно, электротехники. Процесс создания малошумной конструкции следует разделить на ряд этапов: обеспечение малошумности источников вибрации, т. е. магнитной системы, обмоток и вентиляторов; виброизоляция этих источников, ограждение источников звука звукопоглощающими устройствами, установка вибропоглощающих конструкций и, наконец, выполнение внешних мероприятий по снижениию шумности в местах установки трансформаторов.
Улучшение магнитных характеристик электротехнической стали и конструкции магнитной системы
Снижение шума магнитной системы достигается, в первую очередь, за счет использования электротехнических сталей с гарантированно малыми значениями магнитострикции. К таким сталям относятся электротехнические стали типов 3407, 3408 и другие.
Применение электротехнических сталей с пониженной магнитострикцией эффективно лишь при условии выбора оптимального режима отжига стали. Необходимо учитывать максимальное значение магнитострикции при определенной индукции, знак и спектр ее динамической петли. Для монотонно положительной магнитострикции оптимальная температура отжига составляет 820 °С в сочетании с постоянным температурным градиентом охлаждения стали, равным 50 °С/час. Режим отжига должен уточняться, в зависимости от результатов входного контроля магнитострикции различных партий стали, учитывая, что при отрицательной магнитострикции отжиг может увеличить ее абсолютное значение при еще большем сдвиге в отрицательную область. Выполняющиеся вслед за отжигом технологические операции сборки как магнитной системы, так и трансформатора в целом, должны обеспечивать минимальные механические воздействия на электротехническую сталь, как ухудшающие ее магнитострикционные характеристики.
Вторым естественным методом уменьшения шума магнитной системы является снижение номинальной индукции. Этот метод наиболее пригоден для трансформаторов с частотой питающего напряжения 50 Гц (снижение индукции на 10 % уменьшает уровень звука на 3 дБА); для трансформаторного оборудования с частотой питающего напряжения 400 Гц и более, либо работающего в условиях прерывистой нагрузки, эффект от снижения индукции оказывается недостаточным (несколько более 1 дБА при 10-процентном снижении индукции),
Конструктивно-технологические решения, направленные на снижение шума магнитных систем, диктуются необходимостью устранения резонансов как всей механической системы, так и ее элементов, вплоть до отдельной пластины электротехнической стали. Одновременно, конструкция магнитной системы должна обеспечивать равномерное распределение индукции, исключающее локальные перенасыщения в магнитной системе, устранение поперечных составляющих магнитного потока и снижение гармонических составляющих индукции в отдельных участках магнитной системы.
Применительно к планарным шихтованным магнитным системам, решение перечисленных задач обеспечивается за счет следующих мер:
• Подбираются листы электротехнической стали с повышенной плоскостностью, учитывая, что в деформированных листах при стяжке магнитной системы (МС) возникают механические напряжения, ведущие к увеличению магнитострикции. Использование листов стали с повышенной плоскостностью позволяет снизить уровень звука трансформатора на 5 дБА.
• Предпочтительным для МС является косой стык со ступенчатым перекрытием. Уровень звука при этом понижается до 4 дБА, по сравнению с прямым стыком.
• Отдается предпочтение однорамным магнитным системам, уровни звука которых на 3 дБА меньше, чем у многорамных конструкций.
• Для 3-фазных трансформаторов используется групповая магнитная система, состоящая из трех отдельных фаз. При этом достигается снижение 3-ей гармоники вибрации и шума.
• Применяется бандажирование стержней и ярем магнитной системы, направленное на снижение амплитуды изгибных колебаний пластин стали.
• Следует стремиться к минимальным размерам окна и, соответственно, к малой суммарной длине стержней и ярем МС, что обеспечит уменьшение абсолютного значения удлинения системы.
• Элементы прессовки должны создавать усилия, растягивающие сталь в направлении прокатки и магнитного потока. Равномерность распределения магнитного потока в системе достигается за счет
подбора стали, отличающейся однородностью магнитных свойств. Устранение влияния разнодлинности внешних и внутренних контуров магнитной системы может достигаться применением для них разных марок стали с различным магнитным сопротивлением.
Применение стали Hi—В, имеющей низкие магнитострикцию и чувствительность к изгибу, в сочетании со ступенчатым косым стыком в углах магнитной системы может значительно уменьшить уровни звуковой мощности трансформаторов.
В случае особых требований к снижению уровня звука трансформатора индукция может быть снижена до 1,4 Тл. Однако, это увеличивает габариты трансформатора и его стоимость. Дальнейшее снижение индукции неэффективно, т.к. начинает преобладать шум, создаваемый обмотками.
Возможности снижения шума обмоток
До настоящего времени не найдено действенных средств для снижения шума, создаваемого обмотками. Возможности имеются в снижении эластичности обмотки путем применения изоляционных материалов с большим динамическим модулем упругости и за счет усовершенствования системы крепления обмоток. Простое увеличение усилий прессовки обмоток их уровень звука не уменьшает.
Снижение шума, создаваемого баком
Вибрации, передаваемые от магнитной системы на бак, уменьшаются за счет виброизоляции активной части, устанавливаемой в баке на амортизаторы.
Устранить второй путь передачи вибрации, то есть от активной части на бак через масло, затруднительно, поскольку при этом требуется установка звукопоглощающих материалов на внутренней поверхности бака. Этот способ снижения шума в трансформаторах не применяется.
Для уменьшения шума, излучаемого баком трансформатора необходимо повышение его жесткости. Это автоматически достигается в трансформаторах и реакторах, бак которых рассчитывается на полный вакуум и укреплен ребрами жесткости. Дальнейшее уменьшение шума может быть достигнуто установкой демпферов, настроенных на частоту 100—200 Гц. Эта мера может снизить уровень шума на величину до 10 дБ.
Снижение шума вентиляторов
Для снижения уровня звука вентиляторов возможны следующие мероприятия: Ф установка вентиляторов на резиновые или пружинные амортизаторы; Ф балансировка вращающихся частей вентилятора, включая крыльчатку и ротор электродвигателя;
• замена лопаток вентилятора, выполненных из металла, на стеклопластиковые, как не поддающиеся коррозии и лучше балансирующиеся;
• устранение элементов, находящихся в потоке воздуха;
Ф нанесение звукопоглощающих материалов на входе и выходе вентилятора. Меры, снижающие шум вентиляторов, оправданы, если не вызывают уменьшения их производительности. Поэтому уменьшение скорости вращения вентилятора, как снижающее его шум, должно сопровождаться увеличением числа лопаток, их ширины и диаметра, а также увеличением размеров самого вентилятора. Для центробежных вентиляторов возможно использование лопаток, загнутых вперед. Снижение шума осевых вентиляторов достигается за счет применения профилированных лопаток, уменьшения зазора рабочего колеса, установки направляющих за лопатками.
Снижение скорости вращения целесообразно примерно до 750 об/мин. Эти и другие меры позволяют снизить уровень звука вентиляторов до 10 дБ.
Снижение шума трансформаторов малой мощности
Спецификой трансформаторов мощностью до 100 кВ • А является большое разнообразие конструкций магнитных систем, среди которых можно назвать шихтованные, навитые, стыковые (склеиваемые из двух половин), симметричные пространственные, при множестве модификаций, обусловленных типами стыков, видами шихтовки, характером прессовки и т.д.
При создании малошумных трансформаторов предпочтение следует отдавать шихтованным магнитным системам, как наименее виброактивным, в силу своей повышенной жесткости.
Наиболее шумными являются симметричные пространственные магнитные системы 3-фазных трансформаторов, укомплектованные 3-мя О-образными навитыми магнитными элементами. Повышенная виброактивность такой системы обусловлена
резкой несинусоидальностью индукции в отдельных элементах, низкой жесткостью конструкции и собственными частотами, находящимися в диапазоне 100—300 Гц.
1-фазные трансформаторы с навитой тороидальной магнитной системой также имеют малую величину шумовых характеристик. Положительный эффект в данном случае достигается за счет вибро- и звукоизолирующих свойств обмотки, которая полностью охватывает магнитную систему. Крепление тороидальной активной части за центр тяжести еще более улучшает виброшумовые характеристики такого трансформатора.
Существенное снижение уровня звука трансформаторов достигается при помощи пропитки и склейки магнитной системы материалами на основе эпоксидных смол. Происходящее при склейке замоноличивание магнитной системы устраняет ее вибрации в направлении, перпендикулярном плоскости листа, при некотором ухудшении магнитострикции стали. Эффект пропитки тем выше, чем глубже в толщу магнитной системы проникает склеивающий материал. Но, зачастую, жидкий компаунд, во-первых, не проникает во все пустоты между пластинами стали, а, во-вторых, вытекает из них в процессе полимеризации. Коэффициент температурного расширения пропитывающего материала должен быть меньше, чем у электротехнической стали: в этом случае полимеризованный материал горячего отверждения будет, по мере охлаждения, оказывать растягивающее действие на сталь магнитной системы.
Вибро- и звукоизоляция активной части
По исчерпании физических, конструктивных и технологических возможностей снижения вибрации и шума в источнике, принимаются меры по виброакустической изоляции активной части от бака (кожуха) трансформатора.
С этой целью активная часть устанавливается в баке трансформатора на виброизоляторах, в качестве которых используются резиновые, металлические, пружинные амортизаторы, минерально-волокнистые и пенопластовые плиты и т.д. Собственная частота установленной на виброизоляторах активной части должна быть в 2—3 раза меньше частоты возбуждающих вибрацию сил. Например, для трансформаторов с основной гармоникой возбуждающих вибрацию сил /=100 Гц, должно выполняться условие /0 < 50 Гц. Только в этом случае амортизаторами будет обеспечено снижение вибрационной силы, передаваемой от активной части на бак трансформатора. При f/f0 = л/2 , коэффициент передачи т = 100 %, т.е. виброизоляция равна нулю. Предусматривая виброизоляцию активной части от днища бака, необходимо также обеспечить отсутствие жестких контактов магнитной системы со стенками и крышкой бака.
Снижению шума трансформатора способствуют также следующие мероприятия: • Установка активной части на обмотках, выполняющих виброизолирующие функции (для В > 1,4 Тл). • Размещение виброизолирующих опор на равных расстояниях от центра тяжести активной части, что обеспечивает их равномерную нагрузку. • Установка виброизолирующих опор непосредственно над катками или другими опорными фундаментными элементами. Метод виброизоляции в особенности эффективен и необходим в условиях замкнутых помещений, например, на судах. Вместе с тем, активная часть, установленная на «мягких» амортизаторах, может сама сильно вибрировать, повышая виброактивность бака или кожуха за счет передаваемого по воздуху или маслу звука. Поэтому может оказаться оправданным жесткое крепление трансформатора или даже только активной части к тяжелому фундаменту, амортизационно развязанному с остальными конструкциями здания. Присоединение дополнительной массы фундамента к активной части понижает ее собственные уровни вибрации и уменьшает амплитуду возбуждающих вибрационных сил, передаваемых в окружающую среду.
