Buka transformatora

BUKA TRANSFORMATORA

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstva

Prof.dr.sc. Zvonimir ValkovićProf.dr.sc. Zvonimir Valković

Poslijediplomski doktorski studij, kolegij TRANSFORMATORI

2

Osnove

• Razina zvučnog tlaka

Pa1020

dB)(lg20)(lg10

6

0

0

0

2

0p

p

pp

pp

ppL

tlakzvučnireferentniPatlakzvučni

3

Osnove

• Razina zvučne snage

W

snagazvučnareferentnaWsnagazvučna...

dBW

120

0

0

10

...

)(lg10

W

WW

WWL

4

Osnove

• Razina zvučnog intenziteta

2

2

I

W/m

vrijednostreferentnaW/mzvuka intenzitet

dB

120

0

10

)(lg100

I

II

L II

5

Osnove

• A - razina zvuka (LpA , LWA , LIA)

To je frekventno korigirana vrijednost mjerene(računske) razine zvuka kojom se uzima u obzir nelinearna osjetljivost ljudskog uha na različite frekvencije. Naime, ljudsko uho je najosjetljivije na frekvencije oko 1000 Hz, a manje na niže i više.

Zvukomjeri imaju ugrađen A-filter za mjerenje A-razine(napr., LpA).

6

Osnove

• A - razina zvuka : postupak korekcije

Za određenu frekvenciju A-razina zvuka je

LpAf = Lpf + ΔLf

LpAf … A-razina za određenu frekvenciju

Lpf … nekorigirana (linearna) vrijednost

ΔLf … korekcija (Tablica 1)

7

Osnove

• A - razina zvuka : korekcija

Tablica 1 Korekcija ΔLf po oktavama

+1,04000

+1,22000

01000

-3,2500

-8,6250

-16,1125

-26,263

-39,431,5

ΔLf , dBf , Hz

8

Osnove

• Zbrajanje zvučnih izvora

Kada imamo više izvora zvuka (napr., LWA1, LWA2, LWA3, …) ukupna razina može se izračunati kao

Za n jednakih izvora razine LWA0

rezultantna buka je

WAi10

10lg10WAL,

L

nlg10WA0WA LL 10,0106,044,833,02

ΔL= 10 lg nn

9

Izvori buke

• Tri su osnovna izvora buke u transformatoru :

– vibracije jezgre (magnetostrikcija, magnetske sile)

– aerodinamična buka hladnjaka(ventilatori)

– vibracije namota (elektromagnetske sile)

10

Izvori buke

• Jezgra

Magnetostrikcija je promjena dimenzija materijala u magnetskom polju.Za uobičajene limove jezgre relativna promjena je nekoliko μm/m. Njena vrijednost ovisi o indukciji, vrsti materijala i mehaničkim naprezanjima.

Magnetske sile nastaju između limova u spojevima (preklopima) stupova i jarmova.

11

Izvori buke

Jezgra - magnetostrikcija

12

Izvori buke

• Jezgra

Frekvencija osnovnog (prvog) harmonika vibracije jezgre je dvostruka vrijednost frekvencije mreže, tj.100 Hz za mrežu 50 Hz.

Pored osnovnog harmonika postoje i značajni iznosi viših harmonika koji su parni višekratnici frekvencije mreže (200, 300, 400,… Hz).

13

Izvori buke

• Ventilatori

Aerodinamska buka ventilatora značajno doprinosi ukupnoj razini buke transformatora.

Razina buke ventilatora ovisi o: brzini vrtnje lopatica (broj okretaja u sekundi), dimenzijama lopatica (promjeru), konstrukciji i broju lopatica, načinu postavljanja ventilatora na hladnjak (radijator).

14

Izvori buke

• Ventilatori

Frekventni pojas buke ventilatora je znatno širi nego jezgre. Frekvencija osnovnog harmonika računa se prema

f1 = n Nb

n … broj okretaja u sekundiNb …broj lopatica

15

Izvori buke

• Namot

Elektromagnetske sile na vodiče namota, koji su protjecani strujom tereta, proizvode aksijalne i radijalne vibracije namota osnovne frekvencije dva puta veće od frekvencije mreže (tj. 100 Hz za mrežu 50 Hz). Viši harmonici su zanemarivi.

Ta se buka zove buka uslijed tereta (load noise), za razliku od buke jezgre koja se zove buka u praznom hodu (no-load noise).

16

Izvori buke

• Spektar buke transformatora

17

Smanjenje buke

• Smanjenje buke jezgre

– Danas je tzv. step-lap preklop u uglovima jezgre standardno konstruktersko rješenje kojim se, pored gubitaka i struje praznog hoda, smanjuje i razina buke. Primjenom step-lap preklopa, umjesto klasičnog (preklop u jednom koraku) postiže se smanjenje buke do 6 dB. Bolji su rezultati pri nižim indukcijama (1,3 – 1,5 T).

– Smanjivanjem radne indukcije za svakih 0,1 tesla smanjuje se buka za oko 3-4 dB.

– Primjenom kvalitetnijih vrsta limova (HiB-superorijentirani ili ZDKH i sl.-sa smanjenim dimenzija magnetskih domena) postiže se smanjenje za oko 3 dB.

– Primjenom antivibracijskih elemenata između jezgre i kotla smanjuje se buka za oko 2 dB.

18

Smanjenje buke

• Step-lap preklop

Klasičan preklop1-korak

Step-lap preklop5-koraka

19

Smanjenje buke

• Smanjenje buke ventilatora

Najveći utjecaj na razinu buke ventlatora ima brzina vrtnje (broj okretaja u sekundi). Naravno, smanjenje brzine vrtnje nepovoljno utječe na rashladni kapacitet. Stoga se kao standardno rješenje, kada treba smanjiti buku, koriste ventilatori smanjenog broja okretaja uz povećani promjer lopatica.

20

Smanjenje buke

• Smanjenje buke ventilatora

ΔLWA = 70 lg(D/D0) + 50 lg(n/n0)

D … promjer ventilatora

n … broj okretaja u sekundi

p … broj polova motora

n ~ 1/p 0

2

4

6

8

10

12

14

40 50 60 70 80 90 100

Razina buke ventilatora, LWA

Prot

ok z

raka

, m3 /s

D=600 mmD=800 mmD=1000 mm

Broj polova motora

p=16p=6

p=16

p=6

21

Smanjenje buke

• Smanjenje buke namota

Još uvijek nema dovoljno iskustva o tome koje mjere koristiti za smanjenje buke namota i to je predmet mnogih istraživačkih projekata. U tom istraživanju se koriste sofisticirane numeričke metode modeliranja.

22

Smanjenje buke

Dr. M. Ertl, Siemens

• Istraživanje buke namota – modeliranje

23

Smanjenje buke

• Istraživanje buke namota – modeliranje

Dr. M. Ertl, Siemens

HV winding

LV winding

Tapping winding

Clamping frameFlitch plate

Upper yoke support

24

Mjerenje

• Mjerenje razine buke transformatora opisano je u IEC 60076-10 i u IEEE Std C57.12.90-2006. Postupci u ovim publikacijama su u osnovi slični ali ne u svim elementima mjerne procedure i obrade rezultata.

• IEC 60076-10 norma:

Razina buke mjeri se na razmaku 0,3 , 1,0 ili 2,0 metra od glavne plohe zračenja (principal radiating surface), koristeći zvukomjer za zvučni tlak (LpA) ili za zvučni intenzitet (soundintensity) (LIA).

25

Mjerenje

• IEC norma – glavna ploha zračenja

To je zamišljena ploha koja se dobije vertikalnom projekcije opisane linije oko transformatora (postupak određivanja definiran u IEC 60076-10 – ovisno o izvedbi transformatora).

2

2

2

1

3

1 … Glavna ploha zračenja

2 … Hladnjaci 3 … Ormarić

26

Mjerenje

• IEC norma – mjerne točke

Za transformatore s prirodnim hlađenje mjerne točke su na razmaku 0,3 mod glavne plohe zračenja.Za suhe transformatore, zbog sigurnosti, razmak može biti 1,0 m.Za transformatore s prisilnim hlađenjem mjerne točke su na razmaku 2,0 mod glavne plohe zračenjaMjerne točke su približno jednakomjerno raspodjeljene po obodu transformatora (s korakom oko 1 m) s time da mora biti barem 6 mjernih točaka.Za transformatore manje od 2,5 m (visina kotla) mjerne točke su na polovici visine. Za više transformatore mjeri se na dvije visine (na 1/3 i 2/3 visine transformatora-kotla).

27

Mjerenje

• IEC norma – metode mjerenja

Razina buke može se mjeriti uređajima koji mjere zvučni tlak(LpA) ili intenzitet zvuka (LIA).

Mjerenje zvučnog tlaka je tradicionalna i dobrop uhodana metoda, dok je mjerenje zvučnog intenziteta novija i slabo primijenjivana. Prednost metode zvučnog intenziteta je u tome što je ona znatno manje osjetljiva na smetnje buke okoline (mjerenje je prihvatljivo ako je buka okoline i nešto veća od buke samog transformatora).

28

Mjerenje

• IEC norma – proračun LWA

Razina zvučne snage transformatoora LWA računa se iz srednjih vrijednosti izmjerenih LpA ili LIA prema

LWA = LpA + 10lg Sili

LWA = LIA + 10lg S

gdje je S ekvivalentna mjerna površina za računanje zvučne snage (funkcija je razmaka mjernih točaka od glavne površine zračenja – određivanje S definirano je u IEC 60076-10).

29

Proračun buke

• Buka jezgre

Razina buke jezgre računa se s pomoću iskustvenih izraza, napr.:

LWA(jezgra) = k1 lg GFe + k2 B + k3

GFe ... masa jezgreB ... indukcija u jezgri

k1, k2 ... iskustveni koeficijenti

k3 ... iskustveni koeficijent kojim se uzima u obzir : vrsta lima jezgre, tip i konstrukcija jezgre, frekvencija, konstrukcija kotla,...

30

Proračun buke

• Buka ventilatora

Doprinos ventilatora buci transformatoramože ce izračunati prema

LWA(ventilatora) = LWA,0 + 10 lg n

LWA,0 ... razina buke jednog ventilatora (određena u realnim pogonskim uvjetima-ventilator na

hladnjaku)

n ... broj ventilatora

31

Proračun buke

• Buka namota

Razina buke namota (za određeni teret) može se izračunati s pomoću iskustvenog izraza

LWA(namota) = k1 + k2 lg Sr + 40 lg α

Sr ... nazivna snaga transformatora

k1, k2 ... iskustveni koeficijentiα ... relativni teret (struja tereta/nazivna struja)

32

Proračun buke

• Ukupna buka transformatora

Ukupna razina buke transformatora dobije se zbrajanjem doprinosa svih izvora (jezgra, ventilatori, namoti) prema izrazu (uz pretpostavku da su svi izvori buke nezavisni)

WAi

lgWA

L,L

101010

33

Literatura

[1] IEC 60076-10 : Determination of sound levels

[2] IEC 60076-10-1 : Determination of sound levels- Application guide

[3] IEEE Std C57.12.90-2006 : IEEE standard test code for liquid-immersed distribution, power and regulating transformers

[4] IEEE Std C57.136-2000 : IEEE guide for sound level abatement and determination for liquid-immersed power transformers and shunt reactors rated over 500 kVA

[5] WG12.12, Transformer noise: Determination of sound power level using the sound intensity measurement method, Electra, pp.79-95, No. 144, 1992.