自饱和电抗器振动噪音研究

第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义
在经济快速发展的今天，越来越多的人生活在快节奏、低质量、高污染的复杂环境中。在污染方面，人们往往在意空气污染、食品污染或者水质污染，虽然方方面面都与我们的生活息息相关，但其实我们还应该关注噪音污染或者寻找降低生活环境噪音大小的方法，给我们的工作、生活、学习提供一个低噪音的环境。也许在有些人看来，噪音对我们不会产生很大的影响，其实它和空气、水质及食品一样影响我们身体的健康。比如说当人们长期处理声音嘈杂的环境中，它可能引起一些慢性疾病、器质性病变及神经等系统的损害，并且可能留下长期的遗留性。所以说噪音关乎身心健康，这是本文研究的首要背景。噪音不但影响着人们的健康，而且噪音的种类很多，这是本文研究背景的第二点。1）交通运输噪音；不论陆地、海洋还是领空，人们使用各种各样的交通工具，每一种工具所产生的噪音都是巨大的。2）生产噪音；本文所说的生产噪音主要是指一些大型工业企业[1]。厂家在设备运行时，会产生巨大的噪音值，对工作人员有很大的损害，甚至有些企业员工因为噪音的原因直接导致耳聋。3）日常生活的噪音，虽然噪音的分贝值低，但是噪音的种类很多，比如说喇叭声音、家用电器的声音、生活娱乐噪音等等。在如此复杂的背景下，应该寻找降低电气设备噪音的方式，保证各行各业的电气设备满足国家噪音标准后出厂。本文以大型整流变压器中自饱和电抗器为例，重点阐述自饱和电抗器噪音来源问题，为电气设备从源头上降噪提供一定的理论基础，也为电气设备生产厂家降噪提供一些实际办法，最终争取把电气设备噪音估算方法纳入电气设备设计标准之中。
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1.2 国内外研究现状
目前，一批又一批的科研工作人员投身于电气设备振动噪音研究，也取得了大量的研究成果。1930 年前后，欧美国家对电气设备振动噪音进行了初步的研究。通过大量的试验和经验总结，分析了电气设备振动机理、噪声的辐射特性和声学特征，并在噪声治理方面进行了研究[6-8]。1980年，美国 BBN 科研人员应用远场噪音辐射声测量法测量电气设备的噪音水平[9]。1991年比利时 Ronnie J.M.Belmans 发现共振对电气设备噪音的影响，即在电磁力的频率与定子固有频率相同时，会造成很高的噪音值[10]。1993 年英国谢菲尔德大学的诸自强教授通过计算直流电动机的磁路的方式，测量了直流电机在运行时电磁辐射的噪音大小[11-12]。1995 年法国 S.Chenet等学者发现经向振动与电力设备三相输入电压不对称的对应关系[13]。1997 年，日本 M.Mizokami 研究学者提出来电气设备运行时其谐波对振动噪音的影响，得出了不同的振动模型，首次从基础上解释振动噪音的来源。2000 年前后，德国Tranc.AG 公司，通过实验测量、软件仿真得出磁致伸缩噪音与硅钢片的淬火温度、机械应力、静压力及叠片等因素有关[14]。2004 年，比利时K.U.Leuen研究人员发现铁芯结构对变压器铁芯振动噪音的影响。2006 年，西班牙工作者在考虑温度的情况下，测量了电气设备的振动噪音水平。2007年，德国在仿真软件研究的情况下，研究了电磁场与结构力场的耦合计算。2008年，David Snell结合实验的研究，寻找了一种隔音材料，提出了一种有效的无源降噪的方式。西班牙 Hooratio Lamela提出了一种基于光纤干涉仪直接测量铁芯振动表面的振动位移的方法。为噪音方案设计做基础。2009年，日本学者 YanhuiGao 等一些日本专家研究表明，硅钢片的磁致伸缩力、电磁力是导致单相电抗器产生振动噪音主要因素。他们采用一种使用节点力等效替代磁致伸缩力的方法，磁场力通过电磁场理论推导计算得到。
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第 2 章 自饱和电抗器振动噪音特性研究

2.1 自饱和电抗器简介
自饱和电抗器的基本工作原理是用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗[21]。它作为非线性电抗器件，通过改变铁芯磁通从而改变磁导率调节电抗器的电感量[22]。在铝电解整流变压器中得到广泛的应用，以起到调节电压、稳定直流电流波动等作用。图 2.2 中，右边为工作绕组，一般提供交流励磁。左边为控制绕组，一般为直流励磁。有些情况下，自饱和电抗器还可能含有位移绕组[24]。因为直流励磁靠外界开关电源提供，所以其大小可以相应的改变，当改变直流值时，铁芯饱和程度发生变化。由于铁磁物质的磁导率不是常数，在正常工作情况下，磁导率随铁芯的饱和而下降[25]，所以铁芯的导磁系数也相应的变化（导磁系数μ=B/H）。由于直流励磁是无级调节，所以 Z 也能实现无级调节，从而达到平稳调节电流的目的。所以，自饱和电抗器也可以认为是同时具有交、直流两种励磁电流的平滑可调的交流电阻器。这样的工作模式正好适用于电解铝行业，在电解金属的时候，在金属表面上会有很多气泡，由于气泡的作用，使得金属的电阻变大，但是在电解行业电解的过程中电流应该保持不变，要在电阻变高的情况下，保持电流不变，势必要增大输入电压，自饱和电抗器的负载侧的电压正好满足电解输入电压的要求。
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2.2 振动噪音基础知识
物体振动是产生声音的根源。弦乐是弦振动发声，管乐是空气振动发声，打击乐是打击对象表面振动发声[26]。如果仔细观察日常生活中所接触到的各种发声物体，就会发现声音来源于物体的振动，本文把能够发声的物体叫做声源。由此可见，振动是产生噪音的主要来源，所以首先介绍振动基本知识。要了解振动，本文从最简单的自由振动开始，人们也常常称之为简谐振动，它表示物体在某一点附近来回周期性的运动模式，而且初始情况下，一定要有外力的作用。最简单的例子是小球在弹簧弹力作用下的质点振动系统。根据胡克定律可知，在弹簧韧性容许的情况下，弹簧的弹力 F 与来回振动位移量的大小 x 成正比，即位移量值越大其弹力越大。假定力的方向为唯一方向，根据力学知识可得到弹力运算公式为：简谐振动是现实生活中一种理想的工作状态，日常生活中不可能在真空中运行，必定会有阻力的存在，在最初施加的力的作用下，其能量会慢慢消耗，幅值慢慢降低，这一种因为阻力的存在而使能量消耗、幅值降低的现象称为阻尼振动或者说减幅振动[26]。通常阻力有两种来源，一种是因为摩擦力的作用消耗能量。另一种是因为质点的运动辐射向外，，变为波动的能量。
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第 3 章 自饱和电抗器振动数值仿真及试验研究.......34
3.1 自饱和电抗器振动噪音仿真基础.......34
3.2 硅钢片铁芯振动测量......39
3.3 自饱和电抗器噪音测量.........42
3.3.1 投入运行设备 ......42
3.3.2 拟采用的设备 ......43
3.4 理论计算与实验测量的比较分析.......44
第 4 章 压电材料吸音降噪理论演算......45
4.1 基础知识.....45
4.2 压电材料吸音原理..........48
4.3 实例仿真.....51
第 5 章 课题总结与展望.....54
5.1 总结......54
5.2 展望......55

第 4 章 压电材料吸音降噪理论演算

4.1 基础知识
基于压电材料的吸音降噪的理论基础来源于主动吸音系统，其主要组成部分有声场发生器的扬声器、声波中所假设的质点（质量块）及弹簧[41-42]，图 4.1为吸音系统示意图。本文假设 m 表示质量块的总质量，K 表示弹簧的弹性系数，  表示入射声波频率，质量块与扬声器之间的距离用 l代表。借助物理知识知道，当一个小球弹向墙壁时，如墙壁不动，那么小球将会反弹，如墙壁以和小球弹向墙壁的速度相等的速度移动，那么小球将不会反弹[43-44]。将其应用到该物理模型，即只要质量块的振动速度与声波达到质量块时速度相同，质量块就不会反弹，即不会有反射波，没有声音的辐射，达到主动吸音的效果。经过理论计算与图像呈现，本文得出在减小反射声压的情况下，弹簧的弹性系数随入射声波频率的关系。主要概况如下：随着入射声波频率的增大，其弹性系数也增大。联系实际情况[47-49]，可以得出如下结论，要想保持反射声音的减小，即要想降低电气设备噪音，可以通过控制预紧力的大小，保证预紧力的大小与入射声波的频率符合图像所示规律。上述表达也可以认为是本章所建立的一种模型，它是用图像所表达的一般规律。

总结

虽然自饱和电抗器的基本理论及其应用研究过去多年，但是从振动噪音的角度研究自饱和电抗器确是创新之处。国内外很多科研工作者研究过自饱和电抗器平波稳流、无功补偿等一系列优良的性质，也为生产厂家提供了宝贵的意见，但是整流变压器中自饱和电抗器的应用研究也属少见，本文立足于自饱和电抗器在整流变压器中的应用，研究其工作过程中由于电磁振动所产生的噪音及其降噪措施。本文重点阐述了自饱和电抗器的振动来源及降噪措施。首先是振动噪音来源研究，通过理论计算与实验仿真，得出振动噪音的主要来源是电磁噪音，而且计算了在某一范围内电磁噪音的辐射大小。其次通过对压电材料的研究，演算出基于压电材料吸音降噪的工作模式。大体内容如下：
（1）介绍电气设备振动噪音的研究意义及背景，并且阐述电气设备振动噪音在国内外的研究现状。得出电气设备振动噪音的研究主要工作在于研究机械结构噪音来源研究和隔音、吸音及减振等无源降噪措施提出。
（2）自饱和电抗器振动噪音来源分析，从振动力学与声音传播学的角度出发，计算振动噪音的大小，得出电磁噪音是其主要源头。通过理论计算、软件仿真及实验研究得出噪音主要来源是电磁噪音。
（3）自饱和电抗器振动噪音实验研究，从实验的角度解决激励源与振动所致噪音之间的对应关系。得出整流变压器中自饱和电抗器噪音大小分析图，从分析图得出噪音到达一定值后可以趋于稳定。
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参考文献（略）