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電抗器鐵芯控制噪聲的措施
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:05:47 瀏覽次數(shù)：掌握結(jié)構(gòu)聲輻射機(jī)理是進(jìn)行結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化控制的首要任務(wù)。根據(jù)電抗器鐵芯噪聲分析中的公式（1），降低表面聲輻射的途徑有：（1）降低表面聲輻射系數(shù)；（2）減少聲輻射面積；（3）降低表面質(zhì)點(diǎn)速度。輻射系數(shù)是振動(dòng)表面幾何尺寸和振動(dòng)頻率的函數(shù)，減少聲輻射面積受限于鐵芯的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，降低結(jié)構(gòu)聲輻射有效的方法是降低質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是把結(jié)構(gòu)作為物理系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)力的響應(yīng)。因此，研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理有助于有效的提出降低質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的措施。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移響應(yīng)可由下式表達(dá)：
式中：［H（f）］—結(jié)構(gòu)相對(duì)于激勵(lì)力的頻響函數(shù)傅立中變換矩陣；｛F（f）｝—施加在結(jié)構(gòu)上的激勵(lì)力的傅立葉變換；［X（f）］—結(jié)構(gòu)在激勵(lì)力作用下的響應(yīng)位移的傅立葉變換。
由式（7）可知，結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)取決于激勵(lì)力和頻率響應(yīng)函數(shù)，兩者之一在某一頻率出現(xiàn)峰值，則振動(dòng)響應(yīng)在該頻率出現(xiàn)峰值。因此，降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的措施有：（1）減少激勵(lì)力的幅值；（2）避免激勵(lì)力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的重合或靠近；（3） 提高結(jié)構(gòu)剛度或阻尼。欲減小激勵(lì)力的幅值，需降低鐵芯中的磁密。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，串聯(lián)鐵芯電抗器的磁密一般控制在（0.8～1.2）T，如果降低太多，則會(huì)大大增加制造成本，這表明措施（1）已不現(xiàn)實(shí)。
因此，通過提高結(jié)構(gòu)剛度來(lái)避免共振，是控制振動(dòng)的主要措施。據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，結(jié)構(gòu)體固有頻率提高，剛性增強(qiáng)，動(dòng)變形降低，有利于降低振動(dòng)和噪聲。因此，把提高結(jié)構(gòu)體剛度的問題轉(zhuǎn)化為如何提高結(jié)構(gòu)體的固有頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了分析：（1）鐵芯自身 結(jié)構(gòu)電抗器鐵芯是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，影響其固有頻率的因素很多，就結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)來(lái)說，主要有鐵餅直徑、鐵餅高度、鐵軛高度及柱間距離四個(gè)因素。當(dāng)電抗器的容量確定以后，生產(chǎn)廠家一般會(huì)根據(jù)自身生產(chǎn)工藝及成本，對(duì)鐵餅直徑和鐵餅高度進(jìn)行確定，其他工藝參數(shù)也通常根據(jù)它們進(jìn)行選取，當(dāng)改變鐵餅直徑和鐵餅高度事，整個(gè)電抗器結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生較大的變化，所以只考慮鐵軛高度和柱間距離對(duì)固有頻率的影響。結(jié)合鐵芯實(shí)際結(jié)構(gòu)，選取 0.291m、0.301m、0.321m、0.331m四高度值，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)鐵軛高度的降低會(huì)提高鐵芯的固有頻率；柱間距離選取 0.455m、0.46m、0.47m、0.475m 四個(gè)值，模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)減小柱間距離會(huì)提高鐵芯的固有頻率。（2）約束條件 結(jié)構(gòu)體的約束對(duì)其固有頻率有較大的影響。實(shí)際電抗器安裝運(yùn)行時(shí)只有兩個(gè)條形基礎(chǔ)，對(duì)鐵芯底部增加約束后進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)約束后鐵芯的固有頻率有所提高。
電抗器鐵芯控制噪聲措施的效果
通過上面的改進(jìn)措施，重新對(duì)鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對(duì)磁-結(jié)構(gòu)-聲場(chǎng)的耦合場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果分析表明改進(jìn)后的噪聲得到了有效的控制。
改進(jìn)后的上軛表面 1-5 點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線，如圖 5 所示。與圖2 改進(jìn)前進(jìn)行比較。通過速度曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后上軛表面 5 點(diǎn)的振動(dòng)速度均有所下降，鐵芯結(jié)構(gòu)的振動(dòng)得到了一定程度的抑制。
由式（7）可知，結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)取決于激勵(lì)力和頻率響應(yīng)函數(shù)，兩者之一在某一頻率出現(xiàn)峰值，則振動(dòng)響應(yīng)在該頻率出現(xiàn)峰值。因此，降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的措施有：（1）減少激勵(lì)力的幅值；（2）避免激勵(lì)力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的重合或靠近；（3） 提高結(jié)構(gòu)剛度或阻尼。欲減小激勵(lì)力的幅值，需降低鐵芯中的磁密。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，串聯(lián)鐵芯電抗器的磁密一般控制在（0.8～1.2）T，如果降低太多，則會(huì)大大增加制造成本，這表明措施（1）已不現(xiàn)實(shí)。
因此，通過提高結(jié)構(gòu)剛度來(lái)避免共振，是控制振動(dòng)的主要措施。據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，結(jié)構(gòu)體固有頻率提高，剛性增強(qiáng)，動(dòng)變形降低，有利于降低振動(dòng)和噪聲。因此，把提高結(jié)構(gòu)體剛度的問題轉(zhuǎn)化為如何提高結(jié)構(gòu)體的固有頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了分析：（1）鐵芯自身 結(jié)構(gòu)電抗器鐵芯是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，影響其固有頻率的因素很多，就結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)來(lái)說，主要有鐵餅直徑、鐵餅高度、鐵軛高度及柱間距離四個(gè)因素。當(dāng)電抗器的容量確定以后，生產(chǎn)廠家一般會(huì)根據(jù)自身生產(chǎn)工藝及成本，對(duì)鐵餅直徑和鐵餅高度進(jìn)行確定，其他工藝參數(shù)也通常根據(jù)它們進(jìn)行選取，當(dāng)改變鐵餅直徑和鐵餅高度事，整個(gè)電抗器結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生較大的變化，所以只考慮鐵軛高度和柱間距離對(duì)固有頻率的影響。結(jié)合鐵芯實(shí)際結(jié)構(gòu)，選取 0.291m、0.301m、0.321m、0.331m四高度值，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)鐵軛高度的降低會(huì)提高鐵芯的固有頻率；柱間距離選取 0.455m、0.46m、0.47m、0.475m 四個(gè)值，模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)減小柱間距離會(huì)提高鐵芯的固有頻率。（2）約束條件 結(jié)構(gòu)體的約束對(duì)其固有頻率有較大的影響。實(shí)際電抗器安裝運(yùn)行時(shí)只有兩個(gè)條形基礎(chǔ)，對(duì)鐵芯底部增加約束后進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)約束后鐵芯的固有頻率有所提高。
電抗器鐵芯控制噪聲措施的效果
通過上面的改進(jìn)措施，重新對(duì)鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對(duì)磁-結(jié)構(gòu)-聲場(chǎng)的耦合場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果分析表明改進(jìn)后的噪聲得到了有效的控制。
改進(jìn)后的上軛表面 1-5 點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線，如圖 5 所示。與圖2 改進(jìn)前進(jìn)行比較。通過速度曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后上軛表面 5 點(diǎn)的振動(dòng)速度均有所下降，鐵芯結(jié)構(gòu)的振動(dòng)得到了一定程度的抑制。
改進(jìn)前后的聲壓級(jí)與聲功率級(jí)，如圖 6 所示，聲壓級(jí)和聲功率級(jí)都有所下降，可以說，改進(jìn)措施對(duì)降低鐵芯由于結(jié)構(gòu)本身造成的噪聲取得了一定的效果。
本文通過 ANSYS 軟件對(duì)電抗器鐵芯振動(dòng)噪聲進(jìn)行了多場(chǎng)耦合有限元分析，且研究了電抗器鐵芯振動(dòng)與噪聲的關(guān)系，基于這種關(guān)系，從結(jié)構(gòu)聲輻射機(jī)理出發(fā)提出了抗振抑噪的措施，并對(duì)提出的措施進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與改進(jìn)前結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)鐵芯的振動(dòng)與噪聲均有所降低，收到了一定的效果，從而證明了改進(jìn)措施具有一定的可行性。
本文通過 ANSYS 軟件對(duì)電抗器鐵芯振動(dòng)噪聲進(jìn)行了多場(chǎng)耦合有限元分析，且研究了電抗器鐵芯振動(dòng)與噪聲的關(guān)系，基于這種關(guān)系，從結(jié)構(gòu)聲輻射機(jī)理出發(fā)提出了抗振抑噪的措施，并對(duì)提出的措施進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與改進(jìn)前結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)鐵芯的振動(dòng)與噪聲均有所降低，收到了一定的效果，從而證明了改進(jìn)措施具有一定的可行性。