低噪声变压器结构优化

2024-08-31

低噪声变压器结构优化（通用5篇）

低噪声变压器结构优化篇1

0引言

近年来,精密播种已经成为现代化农业技术发展的重要方向之一,精密排种器则是实现精密播种的核心部件。排种精度及均匀性是衡量排种器工作性能的重要指标,提高排种精度及均匀性可以抑制杂草、减少种内竞争、增加产量。玉米种子的结构尺寸较小,对播种机的排种器精度要求较高,其关键因素在于倾斜角度的设计。据此,通过力学分析和种子结构尺寸结合,对倾斜角度进行优化设计。为了准确地提取玉米图像种子的信号,利用EEMD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行,降低了玉米种子图像采集和筛选的误差。最后,对装置进行了测试,得到了比较理想的播种效果。

1玉米精密排种器总体设计

当播种机的速度和播种的粒距确定后,排种器圆盘上的孔数和转速成一定的比例,孔数越少,要求圆盘的转速越高,因此孔数的多少是排种器设计的关键因素之一。除了孔数的设计之外,另外一个比较重要的设计关键是倾斜角度的设计,倾斜角度会影响清种和排种的质量,只有优化好倾斜角度,才能提高玉米精密排种器的播种精度。圆盘式玉米排种器的结构如图1所示; 总体设计框图如图2所示。

排种器的结构设计主要包括孔数设计和倾斜角度设计。其主要过程分为3部分: 首先是排种器结构的力学分析,通过力学分析得到理论的倾斜角度; 然后利用白噪声方法对玉米种子图像信号进行处理,将得到的数据和理论计算数值对比,优化圆盘倾斜角度; 最后对排种器结构性能参数进行测试,得到排种器优化效果,完成排种器的优化设计。

2精密玉米排种器结构设计和优化

2. 1排种器结构受力分析

本文以玉米播种机圆盘式播种器为例,对播种器的结构进行优化设计。圆盘式精密排种器主要包括动盘、定盘、推刮种器、主轴、锥齿轮、底座和输种管等,结构如图3所示。

玉米排种器在排种的过程中型孔会发生堵塞,为了防止这种情况的发生,在投种器上需要增设护种器。在投种的过程中,为了使种子能够顺利的脱离投种器,降低种子的损失,将投种器的形状优化成半圆形,其结构如图4所示。

为了使排种器便于清种,在设计的过程中,将排种器和水平面呈现一定的角度。但是,倾斜角度不能过大,过大会造成种子的堆积和伤种; 倾角过小会造成清种效果不好。因此,首先要对种子的受力进行分析,种子在投种器中的受力如图5所示。

考虑到种子充入型孔的极限情况,根据力学平衡原理,可以得到

其中,N表示种子获得的支持力; ω 表示排种器的角速度; R表示排种器圆盘的直径; α 表示排种器的倾斜角度; f表示种子与排种器壁的摩擦因数。根据这些参数可以对清种过程的受力进行剖析,如图6所示。

为了优化结构的设计,在孔的两侧增设了导种槽,提高了充种和清种的效果,降低了清种器对种子的冲击。对其进行力学分析,可以得到

其中,N1为种子1对种子2的力; N2为导种槽斜面对种子2的力; f1为种子之间的摩擦因数; f2为种子与动盘间的摩擦因数; β 导种槽斜面与动盘底面的夹角; F为清种力; r为种子半径; h为清种力F与种子圆心垂直距离。

考虑到种子被清出的极限情况以及尺寸关系,有

由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 联立,得

其中,f1可以通过实验测得,通过计算可以得到倾角 β 的理论值; 但是,还需要和实际种子的结构和尺寸相结合,才能设计出排种器圆盘最佳的清晰角度。

2. 2基于玉米种子图像的倾角优化设计

为了优化排种器圆盘的倾斜角度,需要根据玉米种子的实际结构和尺寸,对排种器的倾角进行优化设计。但是,由于种子数量比较大,在对种子图像采集的过程中,会存在较大的误差,本文采用将图像信号加入白噪声的方法,对信号进行增强提取。当在信号中加入白噪声后,将使信号在不同尺度上具有联系性,以减小EMD分解过程中遇到的模态混叠。

为了准确地提取玉米图像种子的信号,利用EE- MD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行, 步骤如下:

1) 确定信号xi( t) 所有的局部极值点;

2) 在所有的局部极值点中选择满足频率确知信号极值点间隔且幅度较大的极值点;

3) 用插值的方法构造xi( t) 的上下包络,并利用上下包络求出平均包络mi( t) ;

4 ) 加入具有均值为0,方差为常数的白噪声ni( t) ,重复步骤1) 、2) 、3) ,将每次得到的mi( t) 加起来,平均后得到频率确知信号。同样,把上述方法用于提取x( t) ,结果如图7所示。

由图7可以看出: 利用噪声下频率确知信号提取方法提取出来的信号更接近频率确知玉米种子图像信号,其最终结构形式如图8所示。

在提取玉米种子图像信号对引入辅助白噪声能较好地定位图像信号的极值点,通过对图像的处理可以对排种器的倾角进行优化,如图9所示。

3精密玉米排种器性能测试

目前,播种机的性能测试主要使用田间测量的方法,但对于小颗粒种子不适用。这是因为小颗粒落到田地间不容易被发现和定位,严重地影响测试的精度; 同时还受到各种因素的影响,测试的精确度不高。本文将排种器的性能测试放在实验室内进行,该实验平台主要使用光电检测方法和人工检测方法,通过两种方法的综合使用,提高测试的精确度。实验平台如图10所示。

试验台主要由粘带、供油系统、精密排种器及高速摄像系统等组成。试验所用玉米种子为农大108、登海1568、莘州158,所用填充剂为膨润土,首先对传统的装置进行测试,得到了如图11所示的测试结果。

由图11可知: 在排种盘转速为8 r /min时,排种器的合格率最高87. 5% ,重播率7. 5% ,漏播率5% 。改进前的装置存在较大的播种误差,通过信号白噪声方法对结构进行优化后,通过测试得到了表1所示的测试结果。

由测试结果可以看出: 与传统的玉米排种器相比, 该排种器从单粒指数、漏播指数、重播指数3重指标都有不同程度的降低,从而验证了本文设计的精密排种器的可靠性。

4结论

对玉米播种机的圆盘式玉米排种器进行了结构和力学分析,通过分析发现: 影响排种精度的主要因素是圆盘倾斜角度,并通过理论计算,得到了倾斜角度的初始值。为了进一步优化排种器尺寸和结构,将力学分析和种子结构尺寸相结合,对倾斜角度进行了优化设计。为了准确地提取玉米图像种子的信号,利用EEMD中对信号加白噪声和EMD中的筛选思想来进行,降低了玉米种子图像采集和筛选的误差。对装置进行了测试表明: 改进后的排种器在单粒率、重播率和和漏播率性能上都比普通方法设计的排种器精度高,得到了理想的播种效果。

摘要：为了提高玉米播种的合格率,降低单粒率、重播率和和漏播率,对玉米播种机的排种器结构进行了优化设计,并采用图像白噪声处理,提出了圆盘精密排种器的结构优化方法。在排种器圆盘倾斜角度的设计优化过程中,为了提高玉米种子尺寸结构图像信号采集的准确度,引入了一种白噪声信号处理的倾斜角度和理论计算值进行结合,优化了排种器的结构。为了测试该方法的有效性和可靠性,对排种器的播种性能进行了测试,通过测试发现,改进后的排种器在单粒率、重播率和漏播率性能上都优于普通方法设计的排种器,提高了玉米播种机的播种效果。

关键词：玉米播种,圆盘结构,倾斜角,白噪声,排种器,合格率

低噪声变压器结构优化篇2

关键词：变压器,Simulation,受力分析,优化设计

0 引言

变压器设计包括电磁计算和结构设计, 电磁计算的任务是确定变压器的电磁负载和主要几何尺寸, 计算其性能参数以及各部分的温升、重量等;结构设计的任务在于选定结构型式, 线圈、铁芯、油箱等保证各组件具有足够的绝缘强度和机械强度。在传统的变压器强度和刚度设计中, 由于缺乏相应的设计计算条件, 其设计结果存在一定的盲目性。本文利用Solidworks软件的三维造型功能和Simulation有限元分析功能, 模拟开关托架加载后的应力和变形, 为结构设计提供依据, 并对其结构进行了优化, 以期提高设计研发效率。

托架设计时有两个约束条件, 一是刚度和强度两个力学条件, 刚度条件就是要求变形量必须控制在一定范围内, 强度条件就是要求各点应力σ不得超过允许应力值;二是工艺条件, 即必须使所设计的结构件加工方便省时[1]。

1 Simulation的分析流程

有限元法是利用计算机进行数值模拟分析的一种方法, 在工程技术领域应用广泛, 有限元计算结果已经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。Simulation是Solid Works公司开发的一种功能强大的有限元分析工具软件[2], 能够进行零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化或疲劳分析, 且操作简便, 结果准确可靠[3]。其中, 静态分析假设所有载荷被缓慢且逐渐应用, 直到它们达到其额定量值。静态分析过程包括前处理、求解和后处理3个部分, 其分析流程如图1所示。

托架所用材料为Q235-B, 主要物理特性参数为:密度ρ=7.86kg/m3, 弹性模量E=212GPa, 泊松比μ=0.288, 屈服强度σ=235MPa。前置处理中的约束和载荷是用于仿真实际产品的重要依据, 所定义的约束和载荷将直接影响到分析结果[4]。网格划分包括实体模型的网格化和施加载荷的离散化。

2 Simulation在有载开关托架设计中的应用

2.1 托架选型

有载开关是变压器的重要组件。在变压器装配过程中, 需用托架与有载开关二级法兰相连, 临时支撑开关, 其传统结构如图2所示, 由一整块钢板, 经下料、折弯、划钻、喷漆完成。钢板的材料定额M=45.5kg。托架承受着开关本体和开关油室内油液的重力作用。用Simulation的静态分析功能, 托架加载重力G=5k N, 得到最大应力σmax=165MPa, 最大位移δ=1.61mm, 最大应变ε=3.9/10000, 安全系数K=1.42。可见, 其强度和刚度满足要求。

考虑到节约材料、加工方便以及实际应用中的可操作性, 对传统托架进行改进。改进后的结构如图3所示, 由两条槽钢支撑开关, 槽钢一端与方板焊接组成托架, 托架与夹件通过螺栓紧固在一起。初选10号槽钢, 下面对其进行受力分析。

2.2 前置处理

在装配体环境中, 建立类型为“静态”, 网格为“实体网格”的分析算例, 材料为Q235-B。约束“面1和面2“为“不可移动 (无平移) ”, 单根槽钢施加压力值2.5KN, 所建模型如图3所示。

本文利用Simulation的虚拟螺栓接头功能, 模拟了托架与夹件连接的螺栓和螺母, 其中预载力来自于锁紧螺栓所需的力的大小。预载力分为轴向预载力及扭矩预载力, 此处预载选择“轴”, 即轴向预载力, 其值为:

其中[2]:

式中σs———螺栓屈服强度, MPa;

ds———螺纹牙底直径, mm。

初选M16螺栓, 螺栓材料为Q235-B, 强度等级8.8, σs=640MPa, 计算得P0=48~67k N, 取轴向力为50k N。完成求解后, Simulation提供了作用在该螺栓上的轴向力、剪切力及扭矩, 以确定螺栓规格是否满足设计要求。

使用螺栓接头功能时, 托架与夹件之间需添加“接触/缝隙”约束, 接触类型为“无穿透”, 即零部件之间会产生互相作用影响, 但不会发生干涉现象。

2.3 结论分析

划分网格、运行求解后得到托架的应力、位移、应变图如图4所示。其中图4 (a) 为最大应力图, 可见最大应力为σmax=183MPa, 且发生在托架与夹件螺栓孔对接处, 这是由预紧力产生的;在应力值为150~183MPa的范围内, 发现槽钢与脸板焊接处最大应力值为166MPa, 因此, 整个托架最大应力小于材料的屈服强度σs=235MPa, 托架结构不会发生塑性, 安全系数为1.42, 满足强度要求;图4 (b) 为最大位移图, 可见最大位移δ=3.6mm, 且发生在“托架前端, 槽钢上部”;图4 (c) 为最大应变图, 而最大应变值为5/10000, 远远小于常规的1/1000, 所以最大位移处的应变、位移均能满足刚度要求。

托架与夹件连接螺栓的主要失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂, 因此判断螺栓是否可用, 要满足如下条件:1/[ (Ra+Rb) 2+Rs3]>SF (4)

其中, Ra为轴向负载率, Rb为弯曲负载率, Rs为剪力负载率, 表达式分别如下:

式中SF———设定的安全系数, 取SF=2;F———计算轴向力, N;S———螺栓强度, σs=640MPa;At———螺栓有效断面积, 查资料取At=156.7mm2;D———螺栓直径, mm;M———计算弯矩, N·mm;I———螺栓的弯曲惯性矩, mm4;V———计算剪力, N。

螺栓受力如图5所示, 利用上述公式分别校核四处螺栓。计算得SF1=2.70, SF2=2.66, SF3=2.66, SF4=2.65, 均大于设定的安全系数, 因此可以认为螺栓M16的强度足够。

通过上述分析, 可见托架选用10号槽钢, 其强度和刚度能够满足设计要求, 而且裕度较大。

下面对10号槽钢进行结构优化。首先建立优化的数学模型, 包括设计变量、目标和约束, 根据槽钢的具体结构, 建立优化模型如下:

式中h、b、t———设计变量;M———托架总质量;σmax、σmin———许用应力上、下限;δmax、δmin———许用位移上、下限;N———被约束单元总数;i———被约束节点总数。

设计变量分别取槽钢的高度h、宽度b、壁厚t, 取值范围分别为:45mm燮h燮65mm、35mm燮b燮45mm、3mm燮t燮5mm。目标函数为使整个托架的质量达到最小。约束条件分别取应力和位移, 其中应力约束为σ燮200MPa, 位移约束为δ燮5mm。经过27次迭代后收敛, 最终优化结果如图6所示。设计变量的迭代优化曲线如图7所示, 目标函数的迭代优化曲线如图8所示。表1列出了优化后的设计变量和目标函数的具体参数。

由表1看出, 优化后槽钢尺寸明显减小, 质量减少14.4%。对照槽钢规格尺寸表选用与优化值尺寸接近的标准槽钢型号为6.3号, 具体尺寸为63mm×40mm×4.8mm。

3 结论

(1) 托架经优化改进后选用槽钢, 与笨重的传统结构相比加工简单, 材料消耗降低64.6%, 并且强度和刚度完全能够满足设计要求。 (2) 在变压器结构设计中, 利用有限元分析和结构优化的方法可以有效地提高变压器的设计质量, 避免在结构件强度和刚度设计中的盲目性, 提高产品设计的精确性、安全性和经济性。

参考文献

[1]齐振曦.大型变压器油箱结构分析与优化设计[J].变压器, 1994 (6) :14-18.

[2]陈永当, 鲍志强, 任慧娟等.基于Solidworks Simulation的产品设计有限元分析[J].计算机技术与发展, 2012, 22 (9) :177-180.

[3]张永庆.浅析COSMOSWORKS在有限元分析中的应用[J].机械, 2005 (增刊) :53-55.

浅谈变压器噪声及降低噪声的措施篇3

关键词：变压器噪声,原因,因素,空载噪声,降噪措施

0 引言

变压器的噪声来源于变压器的本体和冷却系统两个方面。本体噪声主要由铁心硅钢片磁致伸缩所引起的振动, 通过铁心垫脚和变压器油传递给箱体和附件而产生, 冷却系统的噪声主要由风扇和油泵的振动而引起。变压器噪声以铁心的噪声为主, 其基频是励磁频率的两倍。由于各种非线性因素的作用, 产生各种高次谐波。对于不同容量的电力变压器, 其铁心噪声的频谱是不一样。

1 变压器噪声的类型

变压器本体噪声主要有硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动、硅钢片接缝处和叠片之间漏磁引起的铁心振动、绕组振动等。

1.1 漏磁引起的绕组振动噪声

绕组负载电流产生的漏磁将引起绕组的振动, 当变压器的额定工作磁通密度在1.5~1.8T范围时, 这种振动与磁致伸缩引起的铁心振动相比很小。

1.2 冷却装置带来的运行噪声

干式变压器采用强迫风冷时, 变压器的冷却装置等附件也会产生噪声, 与变压器本体噪声的机理一样, 冷却装置的噪声也是由于它们的振动而产生的。

1.3 硅钢片磁致伸缩引起的噪声

铁心励磁时, 沿磁力线方向硅钢片的尺寸发生变化, 而垂直于磁力线方向的尺寸发生相反的变化磁致伸缩使得铁心随着励磁频率的变化而周期性振动。

1.4 电磁作用引起的铁心噪声

硅钢片接缝处和叠片间存在因漏磁而产生的电磁吸引, 由此引起铁心振动。由于铁心叠积方式得到不断改进, 接缝处和叠片之间的电磁吸引力引起的铁心振动比磁致伸缩引起的铁心振动小得多。

2 影响变压器空载噪声的因素

铁心产生噪声的原因主要是在交变磁场作用下, 硅钢片的尺寸会发生微小的变化。由于磁致伸缩的变化周期是电源频率的半个周期, 磁致伸缩引起的变压器本体的振动, 是以两倍的电源频率为基频率的, 所以硅钢片的振动主要是由铁磁材料的磁致伸缩特性引起的。

2.1 铁心中除了基频磁通外, 还有高频磁通, 所以空载噪声频率也存在二次以上的高频频波。

2.2 为了防止铁心共振, 在设计低噪声变压器时, 还要考虑铁心的自振频率。

2.3 铁心结构的影响, 噪声与心柱和铁轭直径、铁心窗高、铁心窗口宽度、铁心质量有关。

2.4 磁致伸缩率还与硅钢片表面是否涂漆及退火有关, 因为涂层对硅钢片有附着力, 可防止硅钢片变形。

2.5 变压器空载噪声除与本身材质等有关外, 还与接缝的情况有关。

2.6 磁致伸缩率大小与硅钢片的材质有关, 磁致伸缩率越大, 则噪声就越大, 当磁场强度相同的情况下, 材质好的硅钢片磁致伸缩也小, 因此噪声也小。

2.7 磁致伸缩率还与磁场强度有关, 磁场越强, ε越大。

3 变压器噪声产生的原因

变压器所发出的可听见的噪声是由铁心的磁致伸缩变形和绕组、油箱及磁屏蔽内的电磁力所引起的。变压器噪声共有三个声源, 一是铁心, 二是绕组, 三是冷却器, 即空载、负载和冷却系统引起的噪声之和。铁心产生噪声的原因是构成铁心的硅钢片在交变磁场的作用下, 会发生微小的变化即磁致伸缩, 磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动。绕组产生振动的原因是电流在绕组中产生电磁力, 漏磁场也能使结构件产生振动。电磁力与电流的平方成正比, 而发射的声功率与振动幅值的平方成正比。因此, 发射的声功率与负载电流有很明显的关系。

4 变压器铁心设计和制造工艺的降噪措施

4.1 铁心表面涂胶。铁心叠装, 绑扎后, 在其剪切端面涂刷树脂类涂层, 能抵消边缘处一部分内应力, 从而减小了内应力所造成的E值的升高。

4.2 下铁轭与垫块间空隙填充环氧腻子抑制铁心振动。上下部器身定位也用环氧腻子填充。

4.3 在铁心垫脚与箱底放置减震橡胶。采用20m m胶板时, 一般以压缩3mm为宜, 压缩量太大时, 会因发生蠕变而使阻尼失效, 其绝缘性能也会变化。

4.4 分隔铁心与低压绕组间的气隙, 变压器噪声也是一种声波, 有反射, 折射, 干扰, 绕射, 共振等特性

4.5 振动及控制。隔离振动有两种方法:一种是在铁心与其接触件之间加上弹性隔振材料;另一种是当变压器安装时, 在变压器与其他设备及基础间安装隔振材料, 隔振处理降低噪声效果明显。

4.6 避免铁心共振。为有效的防止铁心共振, 可利用其上部定位件, 通过箱沿螺栓的紧固, 使箱体与器身上梁紧密接触。

4.7 减少硅钢片内应力。磁致伸缩E对应力极为敏感。在相同的磁通密度下, 有较大内应力的硅钢片与内应力较小的硅钢片相比, E随着压应力的增大而升高的速度更加快。

4.8 选用高质量的冷却系统。当干式变压器需安装冷却系统时, 高质量的冷却风机才不会对变压器的噪声产生付作用。

4.9 减小磁密和铁心直径。一般情况下, 磁通密度每增加0.1T, 变压器的噪声将增加2~3dB, 所以, 设计时应尽量减小磁通密度。

4.10 选用高导磁优质硅钢片, 高导磁硅钢片提高了结晶方位的完整度, 特殊涂层增加了其抗张力, 从而降低了其磁致伸缩。

4.11 改善铁心的夹紧质量。改进夹件的结构, 在夹件两端增加限位装置并注意控制适当的铁心夹紧力, 能在一定程度上起到降低产品噪声的效果。

5 抑制高频变压器的音频噪声

高频变压器EE或EI型磁芯之间的吸引力, 能使两个磁芯发生位移;绕组电流相互间的引力或斥力, 也能使线圈产生偏移;受机械振动时能导致周期性的形变;有些因素均会使高频变压器在工作时发出音频噪声;10W以下单片开关电源的音频噪声频率, 约为10kHz~20kHz。为防止磁芯之间产生相对位移, 通常采用一种特殊的“玻璃珠”胶合剂, 来粘合EE、EI等类型的铁氧体磁芯, 效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照1:9的比例配制而成的混合物, 它在100℃以上的温度环境中放置1h即可固化。其作用与滚珠轴承有某种相似之处, 固化后每个磁芯仍能独立地在小范围内产生形变或移位, 而总体位置不变, 这就对形变起到了抑制作用, 采用这种工艺可将音频噪声降低5dB。

6 变压器降低空载噪声的办法

6.1 加隔音层降低噪声

隔音壁能把变压器本体发射的部分噪声反射回去;而且当噪声穿过隔声壁时, 也能被吸收一些, 起到降低噪声的作用。单件的隔音板用螺栓分别固定在油箱加强铁上, 采用这种隔音板可降低噪声10-15db。

6.2 消声法

采用消声法降低噪声, 即在变压器lm以内放置若干个噪声发声器, 使它们发出的噪声与变压器发出的噪声互相抵消。使变压器噪声受到破坏性干扰, 可降低噪声15db (a) 左右。

6.3 减少振源噪声 (1) 采用磁致伸缩小的高导磁材料, 如选

30zhl20硅钢片可比选用其它材质的硅钢片噪声降低噪声4-5db (a) 。 (2) 降低铁心磁密, 可以降低噪声。磁密每降低0.1t, 可降低2-3db (a) 。

6.4 在吸收声能减振方面

(1) 改善和缩小铁心接缝。铁心采用多级接缝。采用多级接缝铁心比两级接缝空载噪声小, 可使噪声降低4-5db (a) 。 (2) 防止和减少硅钢片在加工、生产过程中受到的机械撞击, 否则会使硅钢片的磁致伸缩加大, 从而增加铁心的噪声。 (3) 在铁心端面上涂环氧胶或聚酯胶, 可增加铁心表面张力约束, 也可以起到减少磁致伸缩量, 降低噪声的作用。 (4) 铁心产生的噪声有一部分是通过箱底和基础传出去的, 在铁心垫脚处和磁屏蔽与箱壁之间放置防振胶垫, 从而达到减少振动, 防止共振, 可以降低噪声1-2db (a) 。 (5) 在油箱加强铁内放隔声材料, 可以将油箱振动的能量吸收一部分, 从而达到降低本体噪声的目的, 可以降低噪声2-3db (a) 。

6.5 其它方法

(1) 在室内布置变压器时, 应考虑由噪声在墙面反射时可能导致噪声的增加。 (2) 在设计低空载噪声变压器时, 尽量采用自冷式, 这样可去除风扇和油泵的噪声的叠加。

7 结束语

对变压器的本体噪声, 一方面可通过减小铁心的振动和降低噪声的发散能力来控制。另一方面, 可通过减振及隔声, 吸声等措施, 使噪声在传播途径中得以衰减。同时, 对冷却系统的噪声加以控制, 使其噪声和本体噪声水平相近或更低, 也能有效地降低变压器噪声, 以保证变压器的长期安全稳定运行。

参考文献

[1]周贤土.中小型变压器噪声[M].北京:中国电力出版社.2002.

低噪声变压器结构优化篇4

随着电力系统的发展, 大型变压器被越来越广泛的应用到企业、厂矿、商业中心、医院、学校、企业、机场、住宅小区等场所的供电系统当中, 变压器产生的噪声不可避免的将对周边环境造成影响。人们对环境污染意识的逐渐提高, 使得如何避免作为国际上公认的三大公害之一的噪声污染备受关注。降低、控制变压器噪声的问题愈发显得迫在眉睫。

2 产生变压器噪声的原因

变压器所发出的可听见的噪声是由变压器产生的机械噪声和空气噪声两部分组成的, 铁心、绕组、冷却器是变压器噪声的三个根本声源。铁心由硅钢片叠制而成, 交变磁场作用在硅钢片上, 会使硅钢片产生细微的变化, 这种磁致伸缩引发的铁心做周期振动;变压器绕组中电流形成的电磁场中的电磁力以及漏磁场也会造成变压器结构部件的振动;变压器本体各部件的振动以及冷却系统的运行便是变压器噪声的根源。

3 改善变压器噪声的方法

3.1 减少振源噪声

(1) 高导磁硅钢片是近年来新采用的材料, 由于在制造时结晶方位的完整程度得到了提高, 硅钢片绝缘的薄膜进行了改进, 硅钢片的表面抗张力得到了提高, 减少了磁致伸缩.高导磁硅钢片能使90%的晶粒有最佳取向.采用高导磁硅钢片比采用普通硅钢片可降低噪声4d B (A) .

(2) 降低铁心磁密, 可以降低噪声。构成变压器本体铁心的硅钢片的磁致伸缩是产生噪声的主要原因。大量的变压器试验得出了变压器铁心的磁通密度决定了磁致伸缩的大小程度。变压器本体噪声与磁通密度是近似线性的关系。磁通密度每下降0.1T, 噪声可减弱2.5~3d B (A) 。但是降低磁通密度, 势必要加大铁心截面积, 同时变压器的等值容量和成本都随之升高, 从经济角度看是不划算的。综合考虑降低磁通密度, 应该控制在标准磁通密度的10%范围内。

(3) 改进铁心叠片接缝技术。铁心叠制采用多级接缝技术。采多级接缝替代两级接缝的叠制技术可以降低空载噪声, 噪声水平可下降3~4d B (A) 。为了降低变压器的励磁容量及励磁电流, 大幅度减小声功率, 可以采用更小的铁心接缝进而降低铁心振幅, 改善空载噪声。

(4) 为了避免增大硅钢片的磁致伸缩, 增大噪声, 应该控制硅钢片在各生产工序中受到的机械碰撞。

(5) 通过在铁心原材料端面上涂刷环氧胶或聚酯胶, 以求增加硅钢片表面张力, 也能够降低磁致伸缩量, 进而改善噪声。

(6) 在变压器的铁心硅钢片之间加装橡胶垫, 能减少铁心片间的磁振动, 可降低变压器噪声1~2d B (A) .

(7) 铁心绑扎紧固力要足够大, 且绑扎带要放置均匀, 以保持铁心叠片平直, 避免波浪变形。造成铁心硅钢片之间的磁振动。

3.2 增加减震措施吸收噪声声能

(1) 变压器的油箱底和地基会将一部分铁心的机械噪声传递到周围环境。为了使噪声在传播路径中的得到衰减, 可以在变压器器身与箱底之间以及箱底与地基之间安置缓冲器。想要利用弹性连接替代刚性连接, 使部件振动传递到油箱时进一步衰弱, 避免共振发生, 改善噪声, 可将减震脚垫放置在铁心垫脚下以及振动部件与箱壁之间, 进而使噪声水平下降2~4d B (A) 。

(2) 可以通过在油箱加强铁中增加岩棉、玻璃纤维等隔音材料, 以吸收振动能量的途径来改善噪声强度, 使噪声水平下降5~6d B (A) 。

3.3 从将变压器的噪声在空气传播过程中进行隔断的思路

可以在变压器外设置隔音罩, 通过多层隔声板的布置, 大幅度削弱通过空气传播的部分变压器噪声。同时配合消声器的使用, 在变压器周围安置数个能产生与变压器噪声抵消噪声的发声器, 使噪声水平下降15d B (A) 左右。

3.4 降低变压器风冷却装置噪声

3.4.1 冷却风扇噪声的控制

优先选用自然冷却的方式设计空载噪声水平低的变压器, 在不使用油泵的情况下避免了风扇和油泵在噪声上的叠加。为了确保大容量、高电压等级变压器的散热需求, 选取冷却器时, 优先选择较低转数的风扇以及噪声水平低的潜油泵。更好的风扇片形、更大的风扇直径、叶片平衡度、叶片材料, 同样能够有效改善冷却器风扇的噪声水平。

3.4.2 采用低噪声潜油泵

3.5 当变压器不知在室内时

为避免墙面反射噪声造成的声强增加, 可以通过使用矿渣棉之类高吸声系数的材料对墙体表面进行涂覆, 增强墙面吸收噪声效果, 进而改善噪声水平。

4 结束语

环保问题的日益升温, 是对变压器生产制造商改进噪声控制技术, 研发更优质结构材料的强有力的敦促。跟随时代的发展, 生产出对环境更友好的产品, 才能在满足用户需求的同时推动变压器市场的不断发展。

摘要：产生变压器噪声的原因, 改善变压器噪声的方法。

关键词：变压器噪声,硅钢片,磁振动,磁通密度,橡胶垫,冷却风扇

参考文献

[1]蒋雪峰, 黄文新.基于节能与减噪的电力变压器多目标优化设计[M].陕西:西安高压电器研究所, 2013.

干式变压器噪声分析及控制篇5

1.1 干式变压器噪声及其标准

随着人们对电力需求的不断增加,环氧浇注干式变压器(下称干变)凭着体积小、损耗低、安全可靠、维护简单等特点得到广泛应用。

噪声是衡量干变产品性能的重要指标。由于干变以空气为绝缘介质,噪声直接在空气中传播,相对于同容量的油浸式变压器,其噪声一般更高。常见干变如图1所示。

国家机械行业标准JB/T 10088-2004《6k V~35k V级电力变压器声级》对6k V~35k V级干变的声功率级作出规定限制,详见表1。

表1干式变压器声压级标准[1]

以上电压均为国家规定标准容量

由于干变深入各负荷中心,人们对其噪声的要求越来越高。按照国家标准GB3096-2008《声环境质量标准》规定,以声压级计,I类居民住宅区、医疗卫生等地区夜间的噪声应低于45分贝,II类居民及商业混合区夜间应低于50分贝,III类工业区夜间应低于55分贝[2]。各生产厂家对干变噪声的产生原因作了大量研究,提出了各种控制方案,但至今没有完善的控制方案。

1.2 干式变压器的噪声测量

根据标准GB/T 1094.10-2003《电力变压器第10部分:声级测定》的要求,测量变压器噪声可以采用声压测量法或声级测量法。相对于声强测量法,声级测量法更加简单、直观而得到广泛应用。对没有外壳的干变,测量时应距基准发射面1m的轮廓线上选取不少于6个测点分别测量;对于带外壳的干变,测量距离则为0.3m。对各测点数据通过计算可以得出该变压器的噪声声压级。计算公式如下:

其中:N为测点总数;LPAi为各测点上测得的A计权声压级。当各LPAi值间的差别不大于5d B时,可用简单的算术平均值来计算。此平均值与按上式计算出的值之差不大于0.7d B。另外,由于测量环境通常各不相同,计算结果还要根据测量环境情况进行修正。

在进行测量时,变压器应有空载状态下以实际正弦波的额定电压或额定频率的正弦波对试品进行励磁[3]。

2 干式变压器噪声产生主要原因

干变噪声主要来源于铁心的磁致伸缩噪声,硅钢片结构形式和装配工艺等也有较大影响。

2.1 硅钢片磁致伸缩引起的噪声

变压器铁心的磁致伸缩现象,可用通俗语言解释为一块硅钢片导磁后可使自己的尺寸扩大或缩小。当磁性撤走后,它便回复到原来的形状。当通过交变的电压,硅钢片在一个完整的磁化周期内伸缩2次。这样的拉抻与收缩不规律地发生在每个硅钢片上,且每片不规律地影响着相邻的硅钢片,很大程度上影响变压器本体的噪声大小。

磁致伸缩率还与硅钢片表面是否涂漆及退火有关,由于涂层对硅钢片有附着力,这样可防止硅钢片变形。同样磁场强度下退火的硅钢片比不退火的硅钢片磁致伸缩要小很多,因此选择最佳退火工艺,可以大大降低磁致伸缩率。

2.2 铁心结构形式引起的噪声

铁心叠片如果在插叠区域内某一断面上的气隙比较集中,交变的电磁力作用在硅钢片接缝处时,可引起较强的振动噪声。但随着铁心叠片方式不断改进,“阶梯叠”得到广泛应用,接缝处与叠片间因电磁力引起的振动大大减小,因此这部分噪声得到较好的控制。

2.3 冷却装置引起的噪声

干变运行时如果采用强迫风冷,那么如风机这样的冷却装置等附件也会产生噪声。这主要是由于冷却风机运行时产生振动造成的,同时变压器本体振动通过管接头或其它装配配件传递给冷却装置,致使其振动加剧所产生的噪声也是不可忽视的。

冷却风机的运行频率一般在1000Hz以上,在变压器附近听到的比较尖锐的声音就是风机的声音。容量较小的干变如果噪声正常,而又开启了风机,那么风机的噪声很可能把干变的本体噪声给掩盖掉了。所以当风机开启时,要仔细判断噪声是干变本体发出的还是风机运行引起的。

2.4 装配工艺对噪声的影响

干变主要由人手装配起来,装配工艺以及操作人员的熟练程度都会对成品的噪声有一定的影响。

另外,因漏磁引起的绕组振动、铁心紧固件松动、变压器过负荷等原因也是影响干变噪声大小的因素。

3 控制干式变压器噪声的措施

3.1 采用优质的铁心材料

由于铁心采用的硅钢片磁致伸缩是干变产生噪声的主要原因,磁致伸缩率大小与硅钢片的材质有关。当磁场强度相同的情况下,选择性能良好的硅钢片,减小磁致伸缩率是降低变压器噪声的最有效方法。

在制造铁心时应尽量选用磁致伸缩率小且经过退火处理的冷轧硅钢片,如有晶粒冷轧硅钢片和高磁感应取向冷轧硅钢片等常用的优质硅钢片[4]。优质硅钢片表面涂有绝缘层,形成一定的张力,可使磁致伸缩减小。在铁心端面上涂环氧胶或聚酯胶,可增加铁心表面张力的约束,也可以在一定程度上降低噪声。

在生产、加工过程中还应防止或减少硅钢片受到的机械撞击,否则硅钢片的物理性能降低,磁致伸缩加大,从而增加铁心的噪声。

3.2 参数设计的合理设计

在进行电磁设计时,应注意铁心的直径及磁通密度等参数对变压器噪声的影响。试验证明,噪声与磁通密度成正比。一般情况下,磁通密度每增加0.1T,变压器的噪声将增加2~3d B(A),因此干式变压器设计的磁通密度一般取1.6T左右[5]。不同的变压器生产厂家会根据产品容量、材料性能、工艺水平以及生产成本等因素,决定干变设计的磁通密度。

应用有限元分析方法建立干变有限元模型,可以算出变压器的固有频率。修改有限元模型,使其固有频率远离接近100Hz的整数倍,避免变压器产生共振。简单来说,一般将变压器设计成″矮胖型″,即减小铁心窗高与铁心直径的比值,可使铁心的固有频率得以降低,在电磁场的作用下,不容易引起铁心共振,在一定程度上降低变压器噪声。

3.3 辅助措施

振动产生噪声,减少振动能够降低噪声。干变的本体振动除了产生噪声外,也可能引起楼层的共振,如变压器底座下是中空结构,还可能引起空腔共鸣声。在安装变压器时,在变压器底座与地基基础之间安装隔振材料,如弹簧、隔振垫等,把刚性接触改为弹性接触,可以有效降低噪声。

从切断声音传播途径考虑,可以在配电房安装吸声材料,或采用隔声外壳,阻断噪声向外传播。吸声材料一般放置在窗户、大门等结构上就能达到较好的效果,因为墙壁本身就能良好地阻断噪声。

通常干变出厂前噪声是达标的,而到了用户现场检测却是噪声超标,其中一个重要原因可能是用户现场的环境使产品噪声放大了,常见的放大噪声情况有:干变放置在很靠墙的位置,例如不足1米;变压器放置在楼层上;没有进行合适的隔振处理等。因此除了从本体上降低变压器噪声外,用户还应在配电房的设计上多加注意,采取一些辅助措施,如上述的减振、吸声等方法。

4 干式变压器现声噪声超标常见原因

通常人们听到变压器的噪声很大,直观感觉是变压器故障了,然而,变压器噪声是客观存在的,不可能消除,但有必要控制在可接受范围内。很多时候噪声偏大并不是故障引起的,并不影响变压器的正常运行,下面介绍干变噪声超标的常见原因及解决方案。

4.1 电压问题

变压器是改变传输电压的设备,当电压较高时会使变压器过励磁,相当于提高了磁通密度,加剧硅钢片的磁致伸缩程度,使干变的噪声增大且声音变得尖锐。通过测量低压侧输出电压就可以判断变压器是否处于过励磁情况。如果电压高于正常值,可适当调节分接连接片的位置,保持变压器处于正常励磁状态,减小噪声。

4.2 冷却风机、外壳等附件的共振问题

冷却风机或外壳等附件由于松动或者共振产生不规则噪声,一般会被误认为变压器的噪声。简单的方法是用干燥的木棍或绝缘棒顶住风机或其他附件,聆听变压器噪声是否发生变化。如果发生了变化,就说明该部件发生了共振。在停电检测时,需检查风机和其他附件的安装螺栓是否松动,按需进行紧固。

4.3 铁心自身共振问题

如果变压器噪声成波浪状,则可能是铁心自身发生共振。通过改变铁心夹紧力,即改变变压器上螺栓的力矩,其中包括夹件两头的螺栓,穿心螺栓,垫块压钉螺栓等,这样可降低部分噪声。

4.4 母线桥架问题

由于通过母线排的电流很大,漏磁场会使母排产生振动。母线桥架的振动可能严重影响变压器的噪声,而且桥架一般位于变压器上方,不容易分辨噪声来源。

通常可以用木棍或其它绝缘工具顶住母线桥架,如果声音发生变化则可以判断是母线桥架的原因。此时需请专业人员检查母线排是否固定好,对有松动部分进行紧固。

5 结论与展望