CC BY
21
The article presents the results of a study of the quality and reliability of controlled groups of new
cars.
Key words: car, on-board electrical complex, quality, reliability.
Kritsky Alexey Viktorovich, postgraduate, kritskiyav@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Antonova Natalya Alekseevna, postgraduate, vera1967.antonova@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Gafarov Roman Rinatovich, postgraduate, gafarovOl @gmail. com, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 502:620.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-514-515
ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИИ И ШУМА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
А. В. Костюков
Работники энергетических хозяйств предприятий наиболее подвержены влиянию опасных и вредных производственных факторов, в том числе от вибраций и шума силовых трансформаторов. Для снижения этих вредных производственных факторов необходимо располагать методами расчёта и анализа вибраций и шума электрических машин. В работе анализируются источники шума и вибрации системы охлаждения силовых трансформаторов, а также рассмотрены методы расчета вибрации асинхронных двигателей на основе определения радиальных магнитных сил статора и ротора с учётом мод собственных частот колебаний.
Ключевые слова: безопасность труда, силовой трансформатор, система охлаждения трансформатора, асинхронный двигатель, радиальные силы, пространственные колебания, амплитуда магнитных вибраций, магнитострикция, магнитный шум.
Развитие дефектов и повреждения элементов конструкции силовых трансформаторов в целом сказываются на безопасных условиях эксплуатации и облуживания силовых трансформаторов, в том числе работа трансформатора будет сопровождается повышенной вибрацией и шумом, что неблагоприятно влияет на работников предприятий.
Исследованиями в области шума на предприятиях занимались Алексеев С.П., Антонов А.И., Асминин В.Ф., Богданов, С. А., Гарбунова О.А., Готлиб Я.Г., Злобинский Б.М., Иванов Н.И., Климов Б.И., Лазароиу О.О., Матвеев П.В., Попов Г.В., Сосина Е.Н., Сорокин В.В., Строганов Ю., Тупов В. Б., Тюрин А.П., Шашурин А.Е., Чукарин А.Н., Яицков И.А., Ahmed S. S., Boger M.E., Davis D.D., He Q., Kul S., Kim A., Liu X., Catana D., Chen Q., Fan, Y., Yu X. C. и др., а также велись разработки ведущими фирмами производителями высоковольтного оборудования по снижению влияния шума на работников предприятий машиностроительного и транспортного комплекса: OOO Siemens «Трансформаторы», Berker, Schneider Electric SE, Schneider Electric, ABB (Asea Brown Boveri), Paraline, Staco Energy Products Co и др.
Рассмотрим более подробнее вопросы, связанные с источниками вибрацией и шумом вспомогательного электрооборудования силовых трансформаторов - системы охлаждения. Система принудительного охлаждения силовых трансформаторов вносит дополнительный шум в общий фон работы трансформатора, безаварийная работа системы охлаждения трансформатора напрямую связана с состоянием элементов его конструкции, безопасностью работников при эксплуатации и обслуживании силовых трансформаторов [1,2].
Насосы и вентиляторы системы охлаждения приводятся в действие асинхронными электрическими машинами. Регулирование частоты вращения электрической машины позволяет повысить эффективность работы этих устройств. Поэтому в настоящее время приводные электродвигатели различных насосов и вентиляторов питаются от статических полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Напряжение, прикладываемое к обмотке статора асинхронного двигателя (АД), получается с использованием различных вариантов широтно-импульсной модуляции и содержит значительное количество высших гармоник.
Наличие высших гармоник в питающем напряжении приводит не только к увеличению потерь в электрических машинах, но и служит причиной увеличения уровня вибраций и шума. Это приводит к ускоренному износу подшипников, росту потребляемой мощности и может быть одной из причин разрушения электродвигателей [3-5] и нарушения системы охлаждения силовых трансформаторов.
Высшие гармоники в воздушном зазоре являются причиной появления магнитной вибрации. Ее влияние особенной выражено для АД, в которых магнитное поле вращается относительно неподвижного статора электрической машины. В результате возникают волны радиальной магнитной силы. Они вызывают периодическую деформацию статоров, которая проявляется в виде вибраций и дополнительного акустического шума.
В некоторых случаях амплитуда магнитных вибраций статора АД может достигать величины 0,3 мм [4].
Для борьбы с магнитных вибраций и шума необходимо располагать методами их определения и анализа влияния на них особенностей конструкции электрических машин и особенностей их питания. Одним из распространенных подходов для решения этой задачи основан на том, что магнитные поля, радиальные магнитные силы и деформации статора рассматриваются как волны определенной частоты, пространственного порядка и амплитуды [6]. Сердечник статора имеет сложную форму, поэтому определение волн магнитных сил является сложной задачей, требующей учета геометрических соотношений активной части электрической машины, параметров применяемых материалов и характера формирования питающего напряжения.
Одним из источников шума и вибраций в месте расположения силовых трансформаторов является работа вспомогательного оборудования. Насосы и вентиляторы системы охлаждения приводятся в действие асинхронными электрическими машинами. Регулирование частоты вращения позволяет повысить эффективность работы этих устройств. Поэтому в настоящее время приводные электродвигатели различных насосов и вентиляторов питаются от статических полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Напряжение, прикладываемое к обмотке статора асинхронного двигателя (АД), получается с использованием различных вариантов широтно-импульсной модуляции и содержит значительное количество высших гармоник.
Наличие высших гармоник в питающем напряжении приводит не только к увеличению потерь в электрических машинах, но и служит причиной увеличения уровня вибраций и шума. Это приводит к ускоренному износу подшипников, росту потребляемой мощности и может быть одной из причин разрушения электродвигателей [3-5].
Высшие гармоники в воздушном зазоре являются причиной появления магнитной вибрации. Ее влияние особенной выражено для АД, в которых магнитное поле вращается относительно неподвижного статора электрической машины. В результате возникают волны радиальной магнитной силы. Они вызывают периодическую деформацию статоров, которая проявляется в виде вибраций и акустического шума. В некоторых случаях амплитуда магнитных вибраций статора АД может достигать величины 0,3 мм [4].
Для борьбы с магнитными вибрациями необходимо располагать методами расчёта и анализа их влияния на особенности конструкции электрических машин и особенностей питания. Одним из распространенных подходов для решения этой задачи состоит в том, что магнитные поля, радиальные магнитные силы и деформации статора рассматриваются как волны определенной частоты, пространственного порядка и амплитуды [6]. Сердечник статора имеет сложную форму, поэтому определение волн магнитных сил является сложной задачей, требующей учета геометрических соотношений активной части электрической машины, параметров применяемых материалов и питающего напряжения.
Вибрации статора и ротора электрических машин наиболее выражены в случае, когда частота вибровозмущающих сил совпадает с частотой одной из мод пространственных колебаний. Поэтому для оценки влияния различных волн радиальных магнитных сил на вибрацию и шум необходимо выполнить расчёты по определению собственных частот различных мод пространственных колебаний статора и ротора. Определение радиальных магнитных сил, вызывающих вибрации АД, основано на определении распределения магнитной индукции в воздушном зазоре электрической машины. Для решения этой задачи может быть использован метод, основанный на анализе взаимодействия основной и высших гармоник поля в воздушном зазоре [5,7]. Такой подход позволяет учесть гармоники, вызывающие наиболее интенсивные вибрации, но при использовании данного метода возникает сложность учета насыщения, эксцентриситета ротора и других конструктивных особенностей. Полноценный учет высших пространственных и временных гармоник, участвующих в создании волн радиальных магнитных сил, требует анализа распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора. Поэтому для этой цели необходимо использовать методы теории поля.
Уровень вибраций и акустического шума, создаваемого магнитными силами в электрической машине, зависит не только от радиальных магнитных сил, но и реакцией на них механической системы. Эта реакция зависит от собственных частот пространственных мод колебаний, размеров и материалов статора и ротора. Наиболее значительные вибрации и шум возникают при совпадении формы и частоты волн магнитных сил с собственной частотой механической конструкции, так как в этом случае возникает резонанс механической системы. Поэтому для оценки уровня вибраций и шума необходимо определять собственные частоты мод пространственных колебаний статора и ротора.
Уровень шума электрической машины теоретически можно снизить или практически полностью убрать, если при ее разработке добиться исключения совпадения собственных частот и номеров мод возбуждающих магнитных сил с собственными частотами и формами мод пространственных колебаний. Также, при питании от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) необходимо избегать появления подобных совпадений путем изменения частоты, применения специальных видов модуляции выходного напряжения.
Расчет вибрации и шума асинхронного двигателя. Вибрация и шум электрической машины зависит от режима его работы и собственными частотами мод пространственных колебаний. Если рассматривать статор электрической машины как кольцо из металла, то радиальные колебания статора будут иметь вид, приведенный на рис. 1, на котором показаны несколько мод (форм) таких колебаний.
г= 0 г=2 г = 4
Рис. 1. Формы пространственных колебаний статора (г = 0, 2, 4)
Мода пространственных колебания при г = 0 представляет собой равномерное отклонение по окружности статора. Радиальные силы второго порядка и выше будут приводить к изгибным деформациям статора. Форма пространственных колебаний при г = 2 будет создаваться магнитным полем с двумя полюсами. В этом случае имеются два противоположных центра максимального притяжения и четыре промежуточные точками нулевого отклонения (узлы). Это создает четырехузловую вибрацию. В общем случае, поле в зазоре с количеством полюсов 2р вызывает деформацию с модой г = 2р (4р-узлы). Тогда магнитное поле в воздушном зазоре с количеством полюсов 2р создает радиальные волны электромагнитных сил с 4р-полюсами.
Форма пространственных колебаний при г = 1 (рис. 2) представляет собой однонаправленное отклонение статора. Такое отклонение вызывается неуравновешенным магнитным притяжением. Причиной его появления является наличие эксцентриситета ротора. Собственная частота этой моды пространственных колебаний равна первой критической частоте вращения ротора.
г= I
Рис. 2. Форма пространственных колебаний ротора
Статор и ротор электрической машины имеют сложную геометрию и состоят из разных материалов. Поэтому расчет вибраций и шума является сложной задачей, требующей решения с использованием метода конечных элементов [6,8,9]. Поэтому многие аналитические методы упрощают вычисления, например, рассматривая статор как одиночное кольцо или как двойное кольцо [4,10]. Статор имеет форму относительно тонкого кольца. Поэтому он значительно больше, чем ротор, реагирует на радиальные магнитные силы. Ротор, как правило, более устойчив к большинству радиальных сил. Исключение составляет случай для моды пространственных колебаний с номером один (г = 1), вызываемой несбалансированным магнитным притяжением. В этом случае ротор подвергается деформации изгиба.
Амплитуда вибраций может иметь значительную величину в случае, когда частоты возбуждающих радиальных сил приближаются к собственным частотам конструкции электрической машины. Амплитуда вибрации зависит от соотношения частот и демпфирующих свойств материалов, их которых
изготовлены элементы конструкции. Если принять, что Уг ¿с - статическая деформация от статической
силы с модой г, демпфирование колебаний описывается коэффициентом резонансного усиления. Он
определяет динамическую амплитуду колебаний Уг ^п, которая определяется по формуле:
где пг - коэффициент резонансного усиления, который рассчитывается по формуле:
516
1 , (2)
1 - fr Л 2 ' + 2Crfr
^ Jr,res \ Jr,res у
где f - частота возбуждающей магнитной силы, Гц; fr,reS = тг,гю/2ж - собственная частота модой пространственных колебаний с номером r, Гц; çr - коэффициент демпфирования.
Как следует из уравнений (1) и (2) при достаточно малом коэффициенте демпфирования, амплитуда вибраций может принимать большие значения. Расчет демпфирования пространственных механических колебаний в электрических машинах является сложной задачей. В [11] была получена оценка коэффициента демпфирования, c использованием некоторых упрощений - учитывалось наличие куло-новское (фрикционное) и вязкое демпфирование, а также демпфирование за счет явления гистерезиса. В соответствии с данными, приведенными в [4,11]. в магнитопроводах электрических машин с шихтованным железным сердечником коэффициент демпфирования составляет порядка 0,01. При такой величине затухания, его влиянием на собственную частоту можно пренебречь.
В результате вибраций, на поверхности статора возникают радиальные колебания (смещения). Они соответствуют формам колебаний для различных мод, приведенных на рис. 1. Эти смещения являются источником волн звукового давления, передаваемого в окружающую среду. Характер излучения звука определяется не только частотой и амплитудой пространственных волн радиальных магнитных сил, но и размерами его поверхности. Для электрической машины с площадью поверхности S мощность звука, излучаемая звуковой волной с номером моды r, определяется выражением [5,7,12]:
P = v1pcS^r, (3)
где v - вибрационная скорость поверхности, м/с; р — плотность среды, кг/м3; с - скорость звука (~ 343 м/с); ^г — коэффициент излучения.
Зависимости коэффициента излучения для сферического излучателя [4,12] показаны на рис. 3. Излучатель имеет радиус R, Характеристики приведены в зависимости от величины kR, которая представляет собой отношение радиуса сферы к длине волны вибрации. При малых значениях kR коэффициент излучения уменьшается с увеличением номера моды. Поэтому, чем меньшие размеры имеет электрическая машина, тем меньше влияние магнитного шума при увеличении количества пар полюсов.
1.0 ю го
Рис. 3. Коэффициент излучения сферического излучателя
Источниками вибрации и шума электрических машин, как было указано выше, являются радиальные магнитные силы. Для их определения необходимо знать распределение индукции в воздушном зазоре и по окружности зазора и его изменение от времени. Тогда радиальная магнитная сила может быть определена с использованием формулы Максвелла:
В 2(0,1)
F (0, t ) =
2Ц о
(4)
где В(9, /) - индукция по средней линии воздушного зазора в точке с угловой координатой 9 и времени /, Тл.
Учитывая малый уровень демпфирования, вызывать вибрации будут только волны радиальных магнитных сил с частотами, соответствующими модам пространственных колебаний:
(5)
Frn,r (0, t) = Frn,r C°S(r 0 - ® rt - Фr )
где г - амплитуда радиальной магнитной силы, Н; юг - собственная частота моды пространственных
колебаний электрической машины с номером г, Гц; фг - фаза радиальной магнитной силы, рад.
517
Вибрации, создаваемые радиальными магнитными силами, описываются выражением:
да
у{в,Уг соъ{гв-Фг1 -фг> (6)
г=0
где Уг - амплитуда вибрации, соответствующей моде пространственных колебаний с номером г, м.
Для определения амплитуд колебаний статора используется подход, при котором он представляется в виде свободно опертой балки, несущей синусоидально распределенную нагрузку с амплитудой, равной амплитуде радиальной магнитной силы [4,13,14]. При известных геометрических размерах статоре, для моды пространственных колебаний г = 0 амплитуда вибрации определяются по формуле:
_ЯЯш 77 (7)
1г = еь ^т,г'г' ^ '
где Я - внутренний радиус статора, м; Яш - радиус средней линии ярма статора, м; к - толщина ярма статора, м; Е - модуль упругости (модуль Юнга) материала магнитопровода, Н/м2.
Для определения амплитуд вибрации мод пространственных колебаний с номерами г > 2 используется формула:
',2
Y _ RRm
1 у —
где i _ -
Eh 1 h
1 + 3i
-гМ'
¡ТТ.
F л , (8)
1 m,r'/r
2л/з Rm
При расчете вибраций ротора для электрических машин, не являющихся высокооборотными, можно рассматривать только прогиб ротора при первой осевой изгибной моде (r =1). Амплитуда прогиба определяется с использованием теории свободно опертой балки. На балку действует нагрузка с амплитудой, равной:
Fm,l _я■RLFmЛ, (9)
где L - длина магнитопровода, м, действующая в центре пакета магнитопровода статора. Поэтому, используя жесткость вала, динамическое отклонение рассчитывается по формуле:
Yl _ F^nv (10)
ks
где ks - жесткость вала, рад/м.
Для оценки уровня шума, необходимо использовать уравнения волновой механики [5,15]. Одним из важных вопросов является определение модели излучения - цилиндрическую или сферическую. Выбор модели определяется соотношением размеров двигателя и длины волны шумовых звуков. Для электрических машин малой и средней мощности можно использовать сферическую модель излучения, как более простую [4,5]. Так как источником шума является статор, радиус сферы равен внешнему радиусу магнитпровода статора. Средняя интенсивность звука, излучаемого поверхностью статора, равна средней мощности, деленной на площадь поверхности
I (11)
4яЯо
где P - средняя звуковая мощность, Вт; R0 — внешний радиус магнитопровода статора, м.
Эффективность звукового излучения является показателем способности поверхности двигателя излучать шум. Он определяется выражением [10]
Р
Nrel _ _-^fW (12)
1 plane
2pcw fyYy
где Ipiane - интенсивность звука, производимого бесконечным плоским излучателем, Вт/м2; с- скорость звука в воздухе, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3.
С использованием (12) выражение для средней интенсивности звука равно:
Ir _ 2pcrfr Yr Nrel (13)
Таким образом, с использованием приведенных выражений может быть оценен уровень интенсивности звука для двигателя для вибрации, создаваемой модой пространственных колебаний с номером r:
Lr _ 10log ^, (14)
I0
где I0 - эталонная интенсивность звука (I0 = 110-12 Вт/м2).
Заключение. Уровень шума системы охлаждения силовых трансформаторов теоретически можно снизить или практически устранить, если при проектировании и использовании асинхронных двигателей добиться исключения совпадения собственных частот и номеров мод возбуждающих магнитных сил с собственными частотами и формами мод пространственных колебаний. Также, при питании от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) необходимо избегать появления подобных совпадений путем изменения частоты, применения специальных видов модуляции выходного напряжения.
Список литературы
1. Костюков А.В. Экспериментальные исследования акустических характеристик трансформатора // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. №12. С. 127-132. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-127-133.
2. Костюков А.В. Экспериментальные исследования шума силовых трансформаторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. №2. С. 695-699. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-695-699.
3. Доброскок Н.С. Алгоритмические методы снижения шумов и вибраций в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе: дис. канд. техн. наук. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», C.-Пб., 2014. 162 с.
4. Maliti K.C. Modelling and analysis of magnetic noise in squirrel-cage induction motors: doctoral dissertation. Stockholm, 2000. 209 p.
5. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 208 с.
6. Исследование магнитной вибрации асинхронного электродвигателя посредством МКЭ-моделирования / А. И. Ермолаев, В. И. Ерофеев, А. С. Плехов, Д. Ю. Титов // Интеллектуальная электротехника. 2021. № 3(15). С. 37-56. DOI :10.46960/2658-6754_2021_3_37. EDN QZGGPR.
7. Астахов Н.В., Малышев В.С., Овчаренко Н.Я. Математическое моделирование вибраций асинхронных машин. Кишинев: Штиинца, 1987. 145 с.
8. Pellerey P., Favennec G., Lanfranchi V., Friedrich G. Active reduction of electrical machines magnetic noise by the control of low frequency current harmonics // in proc. IECON 2012 - 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Oct. 25-28, 2012, Montreal, QC, Canada. IEEE, 2012, pp. 16541659. DOI: 10.1109/IEC0N.2012.6388727.
9. Binojkumar A.C., Saritha B., Narayanan G. Acoustic noise characterization of space-vector modulated induction motor drives - an experimental approach // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2015. Vol. 62. No. 6. P. 3362-3371. D0I:10.1109/TIE.2014.2374557.
10. Yang S.J. Low-Noise Electrical Motors. Oxford, England: Clarendon Press, 1981.
11. Verma S., Balan A.,Experimental investigation on the stators of electrical machines in relation to vibration and noise problems," in IEE proceedings, 1997. P. 74-80.
12. Alger P.L. Induction Machines: Their behavior and Uses. Basel, Switzerland: Gordon and Breach,
1995.
13. Frohne H. Uber die primaren Bestimmungsgrofieri der Lautstarke bei Asyn- chronmaschinen. Ph.D. thesis, Technischen Hochschule Hannover, Fakultat fiir Maschinenwesen, Hannover, 1959. (in German).
14. Belmans R. Seminar on parasitic effects influencing acoustic noise and vibrations. Lecture notes, Helsinki University of Technology, Engineering Laboratory of Electromechanics, Helsinki, 1998. Lecture series 4.
15. Norton M.P. Fundamentals of noise and vibration analysis for engineers. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1989.
Костюков Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, kav@rgups.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
STUDIES OF VIBRATION AND NOISE OF AUXILIARY EQUIPMENT OF POWER TRANSFORMERS
A.V. Kostyukov
Employees of energy facilities of enterprises are most susceptible to the influence of hazardous and harmful production factors, including vibration and noise from power transformers. To reduce these harmful production factors, it is necessary to have methods for calculating and analyzing vibrations and noise of electrical machines. The paper analyzes the sources of noise and vibration of the cooling system ofpower transformers, and also considers methods for calculating the vibration of asynchronous motors based on the determination of the radial magnetic forces of the stator and rotor, taking into account the modes of natural oscillation frequencies.
Key words: Occupational safety, power transformer, transformer cooling system, asynchronous motor, radial forces, spatial oscillations, amplitude of magnetic vibrations, magnetostriction, magnetic noise.
519
Kostyukov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, kav@rgups.ru, Russia, Rostov-on-don, Rostov State Transport University
УДК 502:620.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-520-521
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ГЕНЕРАЦИИ ШУМА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
А.В. Костюков
Работа силовых трансформаторов сопровождается вибрацией и шумом элементов конструкции силовых трансформаторов. К основным источникам постоянного шума и вибрации силовых трансформаторов можно отнести магнитопровод, а также вспомогательные устройства системы охлаждения трансформатора c дутьём и принудительной циркуляцией масла. В качестве основного элемента системы охлаждения трансформаторов используются асинхронные двигатели. Для определения вибрации и шума асинхронного двигателя в работе рассматривается методика расчёта магнитных сил, данный подход основан на исследовании распределения магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя с учётом влияющих факторов.
Ключевые слова: шум силовых трансформаторов, система охлаждения трансформатора, асинхронный двигатель, магнитные силы, магнитная система, потокосцепление, ротор, статор, схема замещения.
Для охлаждения силовых трансформаторов в качестве вспомогательного оборудования используются асинхронные двигатели, как для принудительной циркуляции масла, так и для обдува радиаторов силовых трансформаторов. Работа принудительной системы охлаждения силовых трансформаторов сопровождается повышенной вибрацией и шумом асинхронных двигателей. В основном к источникам вибрации и шума электрических машин можно отнести магнитный шум, который возникает из-за пульсирующих магнитных сил в зазоре, которые воздействуют на статор и ротор электрической машины, маг-нитострикционные колебания сердечника, а также механический шум от подшипников и аэродинамический - от воздушного потока вращения ротора.
Многие российские учёные: Ананьев С.С., Гиоев З.Г., Ерофеев В.И., Ермолаев А.И., Захаренко А.Б., Каплин А.И., Корнинг А.И., Космодамианский А.С., Малафеев С.И., Медведев В.Т., Пахомин С.А., Петрушин А.Д., Попов В.И., Соломин В.А. и др. занимались вопросами проектирования, расчётами вибраций и шума электрических машин, а также снижения шума и вибрации при проектировании и эксплуатации.
Вибрация и шум от электропривода, систем охлаждения электрооборудования оказывают негативное влияние на работников предприятий, особенно на органы слуха, центральную нервную систему и вызывают ряд профессиональных заболеваний, поэтому вопросы по снижению воздействий шума электрических машин и преобразователей на работников предприятий являются актуальными.
В системах охлаждения силовых трансформаторов используются асинхронные двигатели, которые осуществляют обдув радиаторов, а также принудительную циркуляцию трансформаторного масла в баке.
Вспомогательное электрооборудование силовых трансформаторов вносит значительный вклад в общий шум, который издаёт силовой трансформатор, диапазон шумового воздействия может быть в пределах 60-80 дБ в зависимости от мощности асинхронных двигателей, частоты вращения, исправности оборудования и механических сопряжений. На рисунке 1 показано распределение шума от вспомогательных устройств системы охлаждения силового трансформатора. Был измерен шум асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 4А100S4У3 мощностью 3 кВт и синхронной частотой вращения 1500 об/мин системы принудительного обдува воздуха силового трансформатора при питании от сети и от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Из рисунка видно, что повышенный шум будет наблюдаться при питании асинхронного двигателя от преобразователя с ШИМ.
Рассмотрим методику расчёта магнитных сил асинхронного двигателя системы охлаждения силового трансформатора.
Расчет магнитных сил, необходимых для определения вибрации и шума АД, требует определения пространственного распределения индукции по окружности воздушного зазора и его изменения во времени. Для этого могут быть использованы методы, основанные на теории обобщенной электрической машины [1, 2]. В этом случае основным допущением является учет только основной гармоники поля в воздушном зазоре. Поэтому расчет магнитных сил производится с учетом взаимодействия высших пространственных и временных гармонических составляющих тока только с основной гармоникой поля в зазоре [3 - 5, 15].
