Análisis vibroacústicos de mitigación del ruido en transformadores

El ruido emitido por un transformador suele ser un parámetro tan importante como la potencia, la tensión o las pérdidas. Técnicas novedosas de análisis vibroacústico y modelización numérica identifican mejoras de diseño que reducen sus niveles de ruido

Por Michal Kozupa, Grzegorz Kmita, Roberto Zannol y Gianluca Bustreo

En estos tiempos de fuerte competencia en el mercado de transformadores, resulta esencial contar con diferenciadores claros que atraigan la atención del cliente. Un área de diferenciación es el ruido que emite el transformador.

El ruido industrial se clasifica como contaminación. El sonido de los transformadores, por su naturaleza armónica, se considera un contaminante, así como especialmente molesto y, por lo tanto, ha estado siempre en el punto de mira del esfuerzo de diseño de ABB.

Sin embargo, la reciente aparición de nuevas herramientas de análisis vibroacústico han cambiado las reglas del diseño: la vibrometría láser de barrido en 3D y el escaneado de la intensidad sonora, apoyados por una modelización numérica multifísica, permiten hoy en día el análisis detallado y la identificación de las fuentes de ruido y vibración.

Estas herramientas y técnicas facilitan, asimismo, el diseño de sistemas que reducen el ruido de los transformadores con una precisión y eficiencia sin precedentes.

Ruido y vibración de los transformadores
El zumbido es una característica intrínseca del transformador que es el resultado de fenómenos físicos del núcleo y devanado. En aparatos sin carga, la magnetoestricción del núcleo magnético es la fuente principal de zumbido; en equipos con carga, la fuente es la vibración del devanado. En ambos casos, el ruido es de naturaleza armónica, pero los modos difieren en cuanto al espectro de frecuencias y frecuencia dominante (ver gráfica 1).

Gráfica 1. Comparación del espectro de ruido acústico en un transformador con carga y sin carga

Aunque la parte activa del transformador, que suele estar sumergida en aceite, es el origen de las vibraciones, el emisor máximo de ruido es el depósito del transformador. Un diseño mecánico inadecuado, especialmente del depósito, puede provocar resonancias estructurales locales y, por consiguiente, aumentar la emisión de ruido. Para adoptar contramedidas de diseño es precisa la identificación fiable de estos ruidos y vibraciones.

Medición láser de la vibración
Una de las mejores técnicas para medir las vibraciones estructurales y el estado de deflexión operativa es la vibrometría láser Doppler (LDV), que mide directamente la velocidad de las vibraciones.

La LDV mide el desplazamiento Doppler producido en el haz láser reflejado por la superficie vibrante. Debido a la muy alta frecuencia de la luz láser (~400 THz), la medición es precisa. La LDV es una técnica sin contacto directo que no afecta al dispositivo probado y, sobre todo, permite obtener mediciones a una distancia segura en productos eléctricos, como transformadores de alta tensión, conectados y activos.

Además, a diferencia del acelerómetro clásico –un método lento y de menor resolución que debe tener en cuenta la situación de carga del transformador–, la LDV permite un barrido en 3D continuo de alta resolución y proporciona miles de puntos de medida de vibración y datos detallados de la deflexión en muy poco tiempo.

Medición del ruido empleando intensidad sonora
Una buena forma de identificar áreas de emisión de ruido críticas consiste en realizar un barrido de intensidad sonora; esta última es una cantidad vectorial, por lo que proporciona información sobre dirección y magnitud (las mediciones usuales de ruido basadas en el nivel de presión solamente indican la magnitud). Las sondas de intensidad de sonido son muy direccionales y, por lo tanto, menos expuestas a interferencias por el ruido de fondo.

El barrido de la intensidad sonora es un método muy eficiente de localización de fuentes sonoras cuando se superpone una cuadrícula a una superficie y se toman medidas normales a ella desde varios puntos igualmente espaciados. Los resultados se utilizan para calcular la potencia sonora sobre la cuadrícula o para crear mapas topográficos de intensidad. Por interpolación, pueden trazarse curvas de isointensidad para una sola frecuencia o para un nivel global.

Correlación vibración / ruido
Hay que saber bien cómo se convierte la energía de vibración en ruido cuando se analizan imágenes acústicas y pautas de vibración de transformadores. El esquema 1 describe los pasos principales de la conversión de vibración estructural en ruido audible. La potencia acústica emitida por la estructura se puede calcular conociendo las dimensiones de su superficie, el rendimiento de la emisión y la velocidad de la vibración.

Esquema 1. Conversión de vibración estructural a presión sonora

La conversión a escala de decibelios se realiza de acuerdo con la fórmula del nivel de potencia acústica. Como el ruido del transformador se mide en unidades de nivel de presión sonora con ponderación A, la velocidad de vibración se presenta igualmente con dicha ponderación.

Modelización numérica multifísica
El análisis numérico no solamente ayuda a entender la generación de ruido propiamente dicha, sino que además sirve para evaluar la eficacia de posibles soluciones de atenuación: permite crear prototipos virtuales que ahorran tiempo y dinero como prueba previa a la ejecución y validación finales.

El flujo de energía del ruido del transformador es un típico fenómeno multifísico que puede reflejarse en predicciones numéricas de dinámica estructural, electromagnetismo y acústica. El modelo estructural, incluidas las fuerzas de excitación, se calcula en un análisis armónico completo que tiene en cuenta la interacción fluido/estructura, crucial para obtener la correcta pauta de vibración del depósito. Pero es necesario que todo análisis completo de un sistema estructural en el que la respuesta acústica sea la salida se inicie con un análisis modal operativo preciso y una buena correlación con los valores propios del sistema deducidos de pruebas reales con vibrometría láser 3D.

Un modelo de vibración bien definido de las caras exteriores no sólo proporciona una pauta correcta de emisión acústica, sino también datos de áreas con gran amplitud de vibración, muy valiosos para la aplicación de contramedidas de atenuación del ruido.

Tecnología de atenuación de ruidos
El cerramiento acústico es la solución más corriente para la atenuación del ruido, y no sólo en el mundo de los transformadores, ya que puede reducir el ruido emitido entre 20 y 30 dB, un valor considerable. Pero ciertos transformadores presentan espectros de frecuencia de ruido resistentes a este tipo de amortiguación.

Por estas y otras razones, ABB trabaja en soluciones de reducción del ruido integradas en el transformador, invisibles desde el exterior y diseñadas para que el cliente pueda efectuar su mantenimiento y servicio de forma normal.

Aplicación más amplia
Es posible aplicar estos métodos vibroacústicos para transformadores a muchos otros productos: grandes motores con valores críticos de diagnóstico de cojinetes y transferencia de vibraciones, ruido de las baterías de condensadores, análisis estructural de turbocompresores, etcétera. El creciente interés del usuario final por reducir el impacto ambiental en términos de niveles de ruido emitido irá acompañado por un uso creciente de mediciones vibroacústicas y modelización multifísica. La experiencia de ABB en LDV y modelización acústica le permite escuchar a los clientes mucho mejor que antes.

 

Michal Kozupa, Grzegorz Kmita; ABB Corporate Research, Cracovia, Polonia.
Roberto Zannol, Gianluca Bustreo; ABB Technology Center, Monselice, Italia.
* Texto tomado de ABB Review 02/2018. La excelencia en el diseño.