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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)布時間：2019-03-30 15:05:47 瀏覽次數(shù)：掌握結(jié)構(gòu)聲輻射機理是進(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)點速度。輻射系數(shù)是振動表面幾何尺寸和振動頻率的函數(shù)，減少聲輻射面積受限于鐵芯的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，降低結(jié)構(gòu)聲輻射有效的方法是降低質(zhì)點振動速度。而質(zhì)點振動是把結(jié)構(gòu)作為物理系統(tǒng)對激勵力的響應(yīng)。因此，研究結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生機理有助于有效的提出降低質(zhì)點振動速度的措施。結(jié)構(gòu)的振動位移響應(yīng)可由下式表達(dá)：
式中：［H（f）］—結(jié)構(gòu)相對于激勵力的頻響函數(shù)傅立中變換矩陣；｛F（f）｝—施加在結(jié)構(gòu)上的激勵力的傅立葉變換；［X（f）］—結(jié)構(gòu)在激勵力作用下的響應(yīng)位移的傅立葉變換。
由式（7）可知，結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)取決于激勵力和頻率響應(yīng)函數(shù)，兩者之一在某一頻率出現(xiàn)峰值，則振動響應(yīng)在該頻率出現(xiàn)峰值。因此，降低結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的措施有：（1）減少激勵力的幅值；（2）避免激勵力頻率與結(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，則會大大增加制造成本，這表明措施（1）已不現(xiàn)實。
因此，通過提高結(jié)構(gòu)剛度來避免共振，是控制振動的主要措施。據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，結(jié)構(gòu)體固有頻率提高，剛性增強，動變形降低，有利于降低振動和噪聲。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。為了實現(xiàn)這一目的，從以下兩個方面進(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)來說，主要有鐵餅直徑、鐵餅高度、鐵軛高度及柱間距離四個因素。當(dāng)電抗器的容量確定以后，生產(chǎn)廠家一般會根據(jù)自身生產(chǎn)工藝及成本，對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，整個電抗器結(jié)構(gòu)將會發(fā)生較大的變化，所以只考慮鐵軛高度和柱間距離對固有頻率的影響。結(jié)合鐵芯實際結(jié)構(gòu)，選取 0.291m、0.301m、0.321m、0.331m四高度值，對其進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)鐵軛高度的降低會提高鐵芯的固有頻率；柱間距離選取 0.455m、0.46m、0.47m、0.475m 四個值，模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)減小柱間距離會提高鐵芯的固有頻率。（2）約束條件 結(jié)構(gòu)體的約束對其固有頻率有較大的影響。實際電抗器安裝運行時只有兩個條形基礎(chǔ)，對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，重新對鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對磁-結(jié)構(gòu)-聲場的耦合場進(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 點的振動速度曲線，如圖 5 所示。與圖2 改進(jìn)前進(jìn)行比較。通過速度曲線對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后上軛表面 5 點的振動速度均有所下降，鐵芯結(jié)構(gòu)的振動得到了一定程度的抑制。
由式（7）可知，結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)取決于激勵力和頻率響應(yīng)函數(shù)，兩者之一在某一頻率出現(xiàn)峰值，則振動響應(yīng)在該頻率出現(xiàn)峰值。因此，降低結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的措施有：（1）減少激勵力的幅值；（2）避免激勵力頻率與結(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，則會大大增加制造成本，這表明措施（1）已不現(xiàn)實。
因此，通過提高結(jié)構(gòu)剛度來避免共振，是控制振動的主要措施。據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，結(jié)構(gòu)體固有頻率提高，剛性增強，動變形降低，有利于降低振動和噪聲。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。為了實現(xiàn)這一目的，從以下兩個方面進(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)來說，主要有鐵餅直徑、鐵餅高度、鐵軛高度及柱間距離四個因素。當(dāng)電抗器的容量確定以后，生產(chǎn)廠家一般會根據(jù)自身生產(chǎn)工藝及成本，對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，整個電抗器結(jié)構(gòu)將會發(fā)生較大的變化，所以只考慮鐵軛高度和柱間距離對固有頻率的影響。結(jié)合鐵芯實際結(jié)構(gòu)，選取 0.291m、0.301m、0.321m、0.331m四高度值，對其進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)鐵軛高度的降低會提高鐵芯的固有頻率；柱間距離選取 0.455m、0.46m、0.47m、0.475m 四個值，模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)減小柱間距離會提高鐵芯的固有頻率。（2）約束條件 結(jié)構(gòu)體的約束對其固有頻率有較大的影響。實際電抗器安裝運行時只有兩個條形基礎(chǔ)，對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，重新對鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對磁-結(jié)構(gòu)-聲場的耦合場進(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 點的振動速度曲線，如圖 5 所示。與圖2 改進(jìn)前進(jìn)行比較。通過速度曲線對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后上軛表面 5 點的振動速度均有所下降，鐵芯結(jié)構(gòu)的振動得到了一定程度的抑制。
改進(jìn)前后的聲壓級與聲功率級，如圖 6 所示，聲壓級和聲功率級都有所下降，可以說，改進(jìn)措施對降低鐵芯由于結(jié)構(gòu)本身造成的噪聲取得了一定的效果。
本文通過 ANSYS 軟件對電抗器鐵芯振動噪聲進(jìn)行了多場耦合有限元分析，且研究了電抗器鐵芯振動與噪聲的關(guān)系，基于這種關(guān)系，從結(jié)構(gòu)聲輻射機理出發(fā)提出了抗振抑噪的措施，并對提出的措施進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與改進(jìn)前結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)鐵芯的振動與噪聲均有所降低，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 軟件對電抗器鐵芯振動噪聲進(jìn)行了多場耦合有限元分析，且研究了電抗器鐵芯振動與噪聲的關(guān)系，基于這種關(guān)系，從結(jié)構(gòu)聲輻射機理出發(fā)提出了抗振抑噪的措施，并對提出的措施進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與改進(jìn)前結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)鐵芯的振動與噪聲均有所降低，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。