變流器產(chǎn)品的噪聲及控制方法研究

張廣泰，陳 城，張海龍，潘守文

（常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025）

0 引言

噪聲給人類健康帶來的危害僅次于空氣污染[1]。隨著各國(guó)對(duì)于噪聲的重視，對(duì)電氣設(shè)備的噪聲也有了一定的限制。日本制定了相應(yīng)的法律來限制工業(yè)噪聲[2]。在產(chǎn)品性能趨于接近的情況下，噪聲水平將直接影響產(chǎn)品本身的競(jìng)爭(zhēng)力，并且關(guān)乎到能不能進(jìn)入到發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)。因此，對(duì)相關(guān)電氣設(shè)備分析，并進(jìn)行噪聲改善就變得尤為重要。本文針對(duì)一款變流器不同運(yùn)行功率下噪聲測(cè)試，通過對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的分析，嘗試用消聲材料來抑制噪聲，并分析消聲材料帶來的有益效果。

1 變流器柜內(nèi)主要噪聲來源

變流器內(nèi)部集成了多種電子器件，同時(shí)為了滿足散熱需求，在柜體的前后面開有進(jìn)風(fēng)孔。柜頂裝有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)，冷風(fēng)從前后面的進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入柜內(nèi)，從下往上，最后將柜內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過頂部的風(fēng)道傳到柜外。噪聲通過前后面的進(jìn)風(fēng)孔、柜頂出風(fēng)風(fēng)道以及柜體鈑金件傳播，如圖1所示。同時(shí)振動(dòng)輻射噪聲對(duì)整體噪聲也有一定貢獻(xiàn)，不可忽略[3]。

圖1 電器柜進(jìn)出風(fēng)示意圖

電抗器是變流器中不可或缺的一部分。電抗器的噪聲來源主要來自鐵心的周期性震動(dòng)[4]，在柜體的裝配過程中，電抗器一般是直接采購的電抗器廠家成品，因此無法再對(duì)其本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其產(chǎn)生的噪音對(duì)整體的影響較大。

2 噪聲測(cè)試背景及主要噪聲頻段分布

2.1 噪聲測(cè)試背景

本試驗(yàn)是在車間內(nèi)測(cè)試，氣壓約為1 010 hPa，無風(fēng)，背景噪聲在57 dB左右。實(shí)驗(yàn)讓變流器分別以100 kW、200 kW等功率運(yùn)行。柜體的前后面開有進(jìn)風(fēng)孔，左右面為封閉的鈑金件，頂部為三個(gè)風(fēng)機(jī)散熱孔。在柜體的前、后、左、右、頂這5個(gè)面設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，將柜體每一面簡(jiǎn)化成一面矩形，找到每個(gè)矩形的中心位置，即為測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試區(qū)域按以下劃分，如圖2所示。實(shí)際測(cè)試噪聲與背景噪聲相差10 dB以上，故不需要做噪聲背景修正[5]。

圖2 柜體測(cè)試點(diǎn)

2.2 噪聲位置分布特點(diǎn)

為了更詳細(xì)的了解變流器產(chǎn)品的噪聲頻段分布特性，分別設(shè)置其在100 kW、200 kW、300 kW、400 kW、500 kW的工況下運(yùn)行。采用噪聲測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)取自測(cè)試儀麥克風(fēng)距各柜面中心約400 mm的采樣點(diǎn)。見表1.

表1 不同運(yùn)行功率下，對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)噪聲結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，產(chǎn)品背面、頂部噪聲相比其他面突出（背面存在電抗器噪聲源、頂部存在風(fēng)機(jī)噪聲源）；產(chǎn)品左右面噪聲在各功率點(diǎn)幾近相同，無論是在哪個(gè)工況下運(yùn)行，產(chǎn)品背面的噪聲值都要比正面高出2～3 dB.這與產(chǎn)品內(nèi)部器件布置有關(guān)，主要噪聲源電抗器的布置靠近背面，其次是電抗器與正面之間存在隔斷噪聲的二次面板等結(jié)構(gòu)件；變流器功率在100 kW增至200 kW時(shí)，其各測(cè)試面噪聲值均有明顯躍升，其值約為2 dB；其后逐次增加功率其噪聲略有浮動(dòng)，增至滿功率500 kW時(shí)其躍升值較200 kW時(shí)也僅僅在1 dB左右。

2.3 噪聲頻段分布特點(diǎn)

由于試驗(yàn)平臺(tái)電纜無法長(zhǎng)時(shí)間承受產(chǎn)品滿功率500 kW運(yùn)轉(zhuǎn)，故電抗器噪聲測(cè)試主要針對(duì)450 kW狀態(tài)，為考量電抗器的噪聲影響，設(shè)置此狀態(tài)下風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)。

由圖3、圖4、圖5可知，由于電抗器工作特性所致噪聲值約在每3 000 Hz出現(xiàn)一段峰值，且主要集中在3 000 Hz之后的高頻段，故對(duì)電抗器部分的降噪主要考慮在高頻段實(shí)施。

圖3 關(guān)風(fēng)機(jī)后柜體前側(cè)噪聲結(jié)果

圖4 關(guān)風(fēng)機(jī)后柜體后側(cè)噪聲結(jié)果

圖5 關(guān)風(fēng)機(jī)后柜體頂部噪聲結(jié)果

將產(chǎn)品功率降至50 kW（主要為減少電抗器噪聲的影響），啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，測(cè)得噪聲與噪聲頻率分布如下圖6、圖7所示。此時(shí)認(rèn)為電抗器噪聲可以忽略，只有風(fēng)機(jī)在提供主要噪聲。

圖6、圖7中，只有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)的時(shí)候，無論是柜體的后面還是柜體的頂部，噪聲都集中在低頻段（160 Hz～1 100 Hz），之后隨頻率升高噪聲明顯下降，故對(duì)風(fēng)機(jī)部分的降噪主要考慮在低頻段實(shí)施。

3 噪聲材料選擇及測(cè)試結(jié)果

吸聲材料需要考慮到對(duì)多頻段的吸聲能力以及除吸聲之外的物理特性。目前常用的吸聲材料為非織布多孔吸聲材料。非織布多孔吸聲材料因?yàn)槠鋬?nèi)部存在很多孔洞和細(xì)小的空隙結(jié)構(gòu)而被廣泛用于噪聲控制。當(dāng)噪聲進(jìn)入材料中，經(jīng)過一個(gè)個(gè)不規(guī)則的孔洞，并被來回反射，引起微小空氣震動(dòng)，空氣與內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦，引起發(fā)熱現(xiàn)象，一部分聲能就變成了熱能，噪聲被削弱[6]。

除了選擇多孔材料之外，材料厚度也是影響噪聲吸收的重要因素。有研究顯示，非織布吸聲材料隨著厚度增加，對(duì)中低頻段的噪聲吸收比高頻段的噪聲更加明顯，說明厚度對(duì)中低頻的噪聲影響較大。此外，高頻段的噪聲在厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，即使材料厚度有增加，高頻噪聲也不會(huì)有明顯降低[7]。

本次產(chǎn)品中使用以三聚氰胺為原料的泡沫吸聲材料，因三聚氰胺泡沫材料具有阻燃，隔溫，噪聲吸收等功能，且滿足多種環(huán)境條件下使用[8]。噪聲測(cè)試產(chǎn)品指定區(qū)域粘貼吸音材料，其吸音材料的粘貼部位主要為后門無散熱孔處、下前門無散熱孔處、柜體左右兩側(cè)下板處，具體粘貼位置和大小如下圖8所示，從左到右依次為柜前，柜后，柜側(cè)。試驗(yàn)中首先測(cè)試無粘貼材料下的各面噪聲數(shù)據(jù)，之后測(cè)試粘貼三聚氰胺吸音海綿下的噪聲數(shù)據(jù)。

圖8 三聚氰胺吸聲材料粘貼區(qū)域

由圖 9、圖 10、圖 11、圖 12、圖 13所知，粘貼三聚氰胺吸音材料對(duì)噪聲有一定的作用，尤其是在柜前、柜右、柜后有所收益，該吸聲材料對(duì)100～11 000 Hz段的噪聲均有一定吸音效果，但由于材料粘貼部位的限制，其整體降噪效果從分貝值來看并不突出但有數(shù)據(jù)可知該材料對(duì)噪聲的吸附還是較為明顯的，如要充分發(fā)揮該材料的降噪效果，需要重新合理布置該材料的粘貼位置和形式。

圖9 頂部粘貼吸聲材料測(cè)試結(jié)果

圖10 前側(cè)粘貼吸聲材料測(cè)試結(jié)果

圖11 左側(cè)粘貼吸聲材料測(cè)試結(jié)果

圖12 右側(cè)粘貼吸聲材料測(cè)試結(jié)果

圖13 后側(cè)粘貼吸聲材料測(cè)試結(jié)果

4 后續(xù)降噪建議和措施

（1）由前后側(cè)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)的差異可知：由于前端在電抗器與前門板處布置有元器件及其固定元器件的面板、立柱，使得前側(cè)噪聲（70 dB）較后側(cè)噪聲（73.3 dB）有較顯著的差異，靠近電抗器的門板需要增加進(jìn)風(fēng)孔，可考慮在不影響散熱的基礎(chǔ)上增加電抗器隔聲罩。

（2）風(fēng)機(jī)噪聲低頻段較高，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)可在不影響進(jìn)風(fēng)的情況下適當(dāng)縮小散熱孔面積、門板與內(nèi)部擋板散熱孔區(qū)域適當(dāng)錯(cuò)開，減小噪聲直接傳播的面域，同時(shí)加強(qiáng)風(fēng)機(jī)除的固定，避免因風(fēng)機(jī)振動(dòng)增強(qiáng)噪聲。

（3）電抗器高頻段噪聲異常突出，有必要進(jìn)一步研究電抗器電器參數(shù)及其磁致伸縮等特性對(duì)噪聲的影響，以進(jìn)一步給出最優(yōu)的降噪措施。

（4）在不改變柜體內(nèi)布置的前提下：①可在門板上粘貼消聲復(fù)合材料；②在容易產(chǎn)生振動(dòng)的區(qū)域粘貼止震墊；③風(fēng)道尺寸變大，內(nèi)壁增加消聲材料。

5 結(jié)論

在變流器的不同發(fā)聲面進(jìn)行了噪聲測(cè)試，排除了背景噪聲的影響因素之后，測(cè)試結(jié)果表明變流器的兩大噪聲源分別來自頂部風(fēng)機(jī)和底部電抗器。其中風(fēng)機(jī)帶來的噪聲主要集中在160～1100 Hz的低頻段，電抗器的噪聲主要集中在6 000 Hz.選用的以三聚氰胺為原材料的吸聲材料對(duì)低頻段的噪聲有一定的效果，但是產(chǎn)品整體降噪未達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求。為了達(dá)到更好的降噪效果，后期需要對(duì)這兩種頻段的噪聲，選擇更有針對(duì)性的吸聲材料。