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电磁噪声控制

/control for electromagnetic noise/
条目作者李志远

李志远

最后更新 2023-01-03
浏览 150
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对机械构件受到电场力或磁场力的作用发生振动所形成的辐射声污染排放,实施降低措施的行为。

英文名称
control for electromagnetic noise
所属学科
环境科学

电机类设备、变压器类设备和电抗器、电力电容器等属于电磁噪声源。

不平衡的电磁力是使电动机产生电磁振动并辐射电磁噪声的根源。电动机在工作时,定子和转子不停地运转,产生磁极振动,这种振动或是径向的或是切向的,也可能两者同时存在。直流电动机的电磁噪声与电机的功率有很大的关系,电机噪声包括电磁噪声、风扇噪声、电刷噪声、轴承噪声等,大功率低转速的直流电动机,以电磁噪声为主。

常采用下面两个办法来降低由不平衡力引起的噪声。①采用变化的气隙间距,使气隙由磁极中央向两个边缘逐渐增大,使气隙磁通密度在间断位置逐渐减少,因而能降低脉动磁力。②采用斜槽转子,其减少噪声的原理与渐变气隙的方法相似,能使磁极边的磁拉力的突然变化减小。如果同时使用两个方法,降低电磁噪声的作用更为明显。

同步交流电机的电磁噪声特点与直流电机的相同异步交流电机的电磁噪声,是由于定子和转子的各次谐波相互作用而产生的,又称槽噪声,它的大小取决于定子、转子的槽配合情况。

电动机的定子、转子的谐波次数不同,相互作用合成的磁力波的次数也不同。当两个谐波相互作用产生的电磁力波动次数越低时,其磁势幅值也越大,激发的振动和噪声也越强。一般1次、2次力波的影响最重,当1次、2次、3次较低阶次的力波振动频率与定子或电动机外壳的振动固有频率吻合时会产生共振,并辐射出强烈的噪声。一般来说,高阶次的力波作用可忽略不计。交流电机除由谐波引起的槽噪声外,还有以下两种噪声:①由基波磁通引起的定子铁芯的磁致伸缩现象而产生的磁噪声。这种噪声的频率是电源频率的2倍,如50赫兹电源频率,由基波磁通激发的噪声频率为100赫兹。②磁极气隙不均匀,造成定子与转子间的磁场引力不平衡,这种不平衡力就是单边磁拉力,它也能引起电磁噪声,但是这种电磁噪声频率较低,影响较小。

降低电机电磁噪声的方法,一般是改进电机结构设计:①选择适当的槽配合。②采用斜槽转子可削弱齿谐波。③采用闭口齿槽,可消除或减少由于开口槽引起的高次谐波。④降低气隙磁密可减小由基波磁通和定子、转子各高次谐波的磁势幅值,以减小径向作用力。⑤增大定子、转子气隙可改善磁场的均匀性,从而减小单边磁拉力的作用。⑥提高加工精度,可使气隙均匀。此外,由于电机的电磁噪声主要是由定子铁芯的振动激发电机外部构件而造成的,所以,适当增加机壳的厚度,改变壳体或端盖的形状,如多加几条凸棱筋等,使其结构的固有振动减小、频率提高;或选用内阻较大的铸铁做机壳和端盖,均可降低电磁噪声的辐射能力。

交流变压器、换流变压器、油浸式电抗器等都具有类似的铁芯和绕组结构,此类设备的电磁噪声主要是由于铁芯在电磁场作用下产生磁致伸缩性振动和绕组的振动而引起的。此时的噪声辐射主要取决于额定功率和铁芯的磁通密度,而不是负载。然而,随着铁芯设计技术的提高,如减少磁致伸缩的高质量硅钢片的使用,以及铁芯连接技术的改进,都会降低铁芯噪声,这就使得由电磁力产生的与负载有关的绕组噪声变得相对突出。变压器在额定工况下运行时,噪声的频率在1000赫兹以下,在负载电流为正弦时,绕组噪声的频率是工频频率的2倍,而铁芯磁致伸缩的噪声包含大量的4~10次工频谐波,这取决于磁通密度水平。

在高压直流换流变压器的额定功率和交流变压器的相同时,直流换流变压器的噪声声功率级要比交流变压器大10分贝(A)以上,这是由两个因素造成的:一是高压直流变压器的负载电流的谐波含量较高;二是高压直流换流变压器连接换流阀桥的绕组中有少量的直流偏磁电流。换流变压器噪声的频谱包含高达几千赫兹的频率,其中以6次谐频左右的噪声为主。变压器铁芯的直流磁化会增加工频及其高次谐频的噪声,即使换流变压器的直流电流含量不多,铁芯的直流磁化使得磁饱和加剧而增加换流变压器的噪声。

变压器的电磁噪声,主要是由于铁芯振动耦合到变压器外壳,使外壳振动形成的。这种磁噪声是由变压器向外辐射的,特别是产生共振时,所辐射的噪声更强。

降低变压器的噪声方式主要有:①选用磁致伸缩性较小的铁磁材料做铁芯。但实际上,既要具有小的磁致伸缩性又要具有足够高的磁导率、低损耗的电磁性能和良好延展性的铁磁材料,材料的选用还处在实验阶段。②若从设计上减小铁芯磁通密度,也能降低噪声,但必须以增加变压器体积和减小效率作为代价。③用隔声罩将变压器罩起来,隔绝空气声的传播,或者加隔振器避免变压器铁芯与外壳或外壳与变压器支撑体的刚性连接,以隔绝固体声的传递。

在变电站、换流站中,还存在着各种类型的干式空芯电抗器、电力电容器等。

干式空芯电抗器中对环境噪声影响较大的主要有交流滤波器电抗器和高压直流平波电抗器。干式空芯电抗器绕组是由单层或多层绕组组成,当绕组通电时通过绕组区域的磁场会产生与绕组的磁场强度和电压乘积成正比、与电流平方成正比的绕组电磁力,引起电抗器的轴向和径向振动而产生噪声。电抗器噪声的声功率随着负载电流4次方的增加而增加。如果电抗器的电流频谱中包含几种谐频,则噪声频谱中的谐频分量也会显著增多。对于交流滤波器电抗器,如果电流由基频f和谐波次数为n的谐波构成,则噪声的主要频率成分为2ffn-1)、fn+1)和2nf。对于高压直流平波电抗器,当工频为50赫兹时,其主要噪声频率为600赫兹、1200赫兹等。

干式空芯电抗器的结构是小阻尼的薄壁圆筒状结构,从理论上讲具有无数个分布较密集的固有频率,因此在对干式空芯电抗器进行结构设计时,需注意避免电流的基频及其高次谐频的频率与电抗器结构的固有频率接近,以减小共振发声的可能性。干式空芯电抗器多采用隔声罩来降低其噪声。

电力电容器中对环境噪声影响较大的主要有交流滤波器电容器。当给电容器施加交变电压时,电容器元件的极板产生振动,由于电容器元件组中部的振动力可以抵消,而两端侧的振动力不能保持平衡,故在电容器的顶部和底部发出较大的噪声。电容器的噪声声功率与施加在电容器电压的4次方成正比。如果施加在电容器的电压频谱由基频f和谐波次数为n的谐波构成,则电容器噪声频谱中的主要频率成分为2ffn-1)、fn+1)和2nf在电容器的底部和顶部两端采用隔声罩可以降低噪声10分贝(A)左右。

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