专利名称：电力变压器噪声多通道有源控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种噪声控制系统，尤其涉及一种电力变压器噪声的多通道有源控制系统。
背景技术：
电力变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，主要用于输配电系统的升、降电压。电力变压器噪声主要来源于铁心，铁心在交变的磁通作用下伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率变化做周期性振动，产生的噪声的频谱特点为以低频的线谱为主，频率为工频50Hz的偶数倍频关系，主要集中在100Hz，200Hz，300Hz附近。电力变压器的降噪措施主要可以分为噪声源控制和噪声传播路径控制(虞兴邦等，变压器的噪声及其降低，噪声与振动控制，5，35-38，2001 ；周贤土，中小型变压器噪声 (下)，43(12)，1-6，2006 ；余尤好等，大型电力变压器的噪声分析与控制，44 (6)，2346， 2007 ；谭闻、张小武，电力变压器噪声研究与控制，高压电器，45 (2)，70-76，2009)。噪声源控制主要通过调整铁心和油箱等构件的结构设计、选型布局、生产工艺来降低变压器本体噪声(季青，变压器噪声分析及改善措施，农业装备技术，36 03)，46-48，2010)。目前采用的电力变压器专业标准为《JB/T 10088-20046KV 500KV级电力变压器声级》。噪声传播路径控制的现有手段是在电力变压器外围加隔声、吸声层，把变压器本体辐射的部分噪声反射回去的同时通过吸声材料吸收一些噪声，起到降低噪声作用(稽正毓，新街口变电站变压器噪声控制，噪声与振动控制，3，32-35，1990 ；张智敏，变压器噪声控制技术及装备，中国环保产业，6，50-52，2010 ；康立刚，隔吸声屏障在变压器噪声控制中的应用，中国环保产业，7， 34-36，2010)。为了有效屏蔽变压器发出的噪声，往往要求隔声、吸声层是全封闭的，会带来变压器通风散热的问题。现有的解决方法是设置一定面积的进风口，并在进风口安装消声器，但会引起低频噪声控制效果不佳的后果。这种情况下只有通过加厚隔声、吸声层，加长消声器来解决，而在某些现场条件下，周围空间对设备体积要求较高，这样就无法增大设备体积从而无法改善隔声效果。因此，这类使用隔声、吸声层进行电力变压器噪声控制技术的缺点是1、对变压器低频噪声控制效果不佳；2、在实际使用中通风散热效果不佳且受周围安装空间的限制。现代电子技术、信号处理、控制理论和换能器技术的发展使有源噪声控制系统广泛应用于噪声控制领域。目前已经实用的有源控制系统包括有源抗噪声耳罩、管道内的有源噪声控制、飞机和轿车舱内的有源噪声控制以及液压泵的有源噪声控制系统。针对变压器噪声的有源控制，国内外已经有了一些研究。在变压器噪声有源控制源方面提出了惯性激振器(X. Liet al·· Tuneable inertial shakers for active control, International Journal of Acoustics and Vibration, 6 (4), 180-184, 2001)；在变压器噪声主动控制算法方面提出了波形合成算法(X. Qiu et al.，Analgorithm for active control of transformer noise with on-line cancellation path modeling based onthe perturbation method, Journal of Sound and vibration，240(4)，647—665，2001 ;X· Qiuet al. ， Awaveform synthesis algorithm for active control of transformer noise implementation, AppliedAcoustics，63，467-479，2003)；虽然已有学者提出了基于单通道反馈控制控制单元的分布式变压器噪声有源控制系统(P. Micheau et al, Implementation of decentralized active control of powertransformer noise,First European Forum on Materials and Methods for Machinery andTransportation Noise Control,2001), 但存在着以下缺点1、采用反馈控制会产生水床效应，在降低某些频率分量噪声的同时会导致另外一部分频率处噪声的升高；2、对应于变压器这类明确的噪声源，反馈控制的降噪效果低于采用参考信号的前馈控制系统；3、该系统采用自适应算法是标准的X-LMS算法， 计算量较大，在目前的技术发展水平下，只能够实现基于单通道的分布式系统，难以实现多通道系统，其噪声控制效果低于多通道的有源控制系统。目前，没有检索到公开的电力变压器的多通道有源控制系统的介绍，本发明公开了这样一种系统，其创新之处在于1、误差传声器的信号条件器和次级声源驱动模块一一对应，四个一组共用机箱，构成信号条件/驱动模块，多组信号条件/驱动模块构成多通道有源控制系统前端；2、自适应信号处理模块采用数字信号处理芯片，单独构成机箱，误差信号输入接口和控制信号输出接口均通过信号线和信号条件/驱动模块相连，参考信号输入接口可以与信号条件/驱动模块相连也可以直接连接参考信号传感器；3、人机交互模块使用电脑触摸屏幕显示控制面板并接收管理员的操作，通过串口和自适应信号处理模块交换数据。
发明内容
1、发明目的本发明的目的在于提供一种低频线谱分量控制效果好、受安装空间条件影响小、有利于通风散热的电力变压器噪声控制系统。2、技术方案为实现上述发明目的，本发明所述的电力变压器噪声多通道有源控制系统包括传声器1、控制源2、参考信号传感器3和控制台4，传声器1、控制源2和参考信号传感器3均与控制台4连接，系统的物理布放示意图如图1所示。其中控制台4由信号条件/驱动模块5、多通道周期噪声自适应控制模块6、人机交互模块7构成，控制台的结构示意图见图2。 参考信号传感器3安装在变压器8表面，传声器1和控制源2布放在变压器8的周围和上方。特别地，控制源2应适当贴近变压器8安装，距离越近，本系统对噪声的低频线谱分量的控制效果越好。参考信号传感器可以采用加速度计、也可以采用传声器或电磁感应线圈。传声器可以采用驻极体传声器，并可以根据现场条件进行改造。控制源可以采用扬声器，也可以采用激振器、电磁驱动器。控制源可以采用特别设计，使其在100Hz、200Hz、300Hz处的频率响应远高于其它频率处的响应。传声器、控制源、参考信号传感器均连接至信号条件/驱动模块，由信号条件/驱动模块统一与多通道周期噪声自适应控制模块进行数据交换(特别地，参考信号传感器也可以直接连接到多通道周期噪声自适应控制模块)。单个信号条件/驱动模块的机箱面板示意图如图3所示，每个信号条件/驱动模块负责四通道的电信号处理，其中每个通道独立供电，但信号条件和信号驱动部分共用电路板。每一路通道的电信号处理包括信号条件和信号驱动两个方面，一一对应。信号条件是检测传声器和参考信号传感器采集到的信号的正确性，根据信号幅度的高低将其分为微弱/正常/过载三档，通过前面板的信号条件器输入状态灯的颜色显示档位，对幅度正常的电信号进行放大和低通滤波处理后输出至多通道周期噪声自适应控制模块，使用前面板上信号条件器增益调节旋钮可以变换放大系数；信号驱动是检测多通道周期噪声自适应控制模块的输出，同样对其信号按幅度进行分档，对幅度正常的信号进行放大、重构滤波处理后驱动控制源。类似地，信号驱动电路的输入幅度可以通过信号条件/驱动模块的机箱前面板的状态灯显示，放大倍数可以使用增益旋钮进行调整。因此每路电信号处理包含四个接口，信号条件输入接口、信号条件输出接口、信号驱动输入接口，信号驱动输出接口。其中信号条件输入接口连接传声器或参考信号传感器，信号条件输出接口连接多通道周期噪声自适应控制模块的输入，信号驱动输入接口连接多通道周期噪声自适应控制模块的输出，信号驱动输出接口连接控制源。每个信号条件/驱动模块的接口按通道分四组，共计十六个接口，具体见图3中机箱后面板的示意图。与每路通道电信号都独立处理相比，四通道的信号条件/驱动模块集成度高，共用电路板和外壳可以节省成本，减小空间，便于实际安装的同时还能够减少整个系统所需的供电线缆的数目；与所有通道电信号集中统一处理相比，四通道的信号条件 /驱动模块复杂度低，某个模块损坏后不会影响其他通道的正常工作，有利于系统工作的稳定性，维修时仅需替换已损坏的模块，方便快捷，此外还可以根据需要增加或减少信号条件 /驱动模块的数目，便于扩展系统的通道数。多通道周期噪声自适应控制模块包含2 (n+1)个接口，其中η为电力变压器噪声有源控制系统的通道数，每个通道包含输入和输出两个接口，另外两个接口分别为参考信号接口和人机交互模块的通讯接口，具体见图4中机箱后面板示意图。输入信号的状态、数字信号处理芯片硬件的运行状态和自适应控制算法的软件运行状态在机箱前面板上显示，此外前面板上还设置按钮，可以在特定情况下直接控制数字信号处理芯片。多通道周期噪声自适应控制模块的主要任务是接收人机交互模块发出的指令，对参考信号传感器拾取的信号(经信号条件/驱动模块处理后或直接接入)进行整形合成，运行周期噪声的自适应算法并输出控制信号，实现噪声有源控制的建模和控制功能。多通道周期噪声自适应控制模块在程序运行过程中，可以根据设定的优先级实时接收人机交互模块的指令和参数，变更工作状态。此外还需要按设定的时间间隔，将整个系统各个组件工作状态的相关数据发送至人机交互模块。人机交互模块采用电脑触摸屏和键盘鼠标输入相结合的方式接收管理员的操作， 判断操作的优先级，将操作转化为指令和参数发送至多通道周期噪声自适应控制模块，通过变更多通道周期噪声自适应控制模块的工作状态来控制整个电力变压器噪声多通道有源控制系统。此外，人机交互模块可以设定时间间隔，接收并解码多通道周期噪声自适应控制模块发送的数据，采用图形界面的方式，动态显示整个电力变压器噪声多通道有源控制系统各组件的工作状态。人机交互模块与多通道周期噪声自适应控制模块之间用串口线缆连接，进行通讯。本发明的电力变压器噪声多通道有源控制系统，针对电力变压器噪声主要以低频线谱分量为主的特点，在变压器周围及上方布放传声器获得声场信息并经由信号条件/驱动模块放大滤波后，和参考信号传感器拾取的信号一同馈入多通道周期噪声自适应控制模块，由多通道周期噪声自适应控制模块产生输出信号，经信号条件/驱动模块后驱动控制源工作，单独或者全部降低100Hz、200Hz和300Hz附近的线谱分量的噪声辐射。3、有益效果本发明与现有技术相比，其显著优点是在于(1)100HZ、200HZ、 300Hz附近的低频线谱噪声分量控制效果好，理想条件下在传声器处这些线谱分量可以降低至周围环境噪声的量级( 使用四通道信号条件/驱动模块分布式管理信号输入输出， 通道扩展性好，便于系统实现和维护(3)受现场安装空间影响小，有利于电力变压器的通风散热。
四
图1是本发明中变压器噪声多通道有源控制系统的物理布放示意图，为了表示清楚，忽略了变压器上方的控制源；图2是本发明中变压器噪声多通道有源控制系统中控制台的结构示意图；图3是本发明中的4通道信号条件/驱动模块的机箱前后面板示意图；图4是本发明中多通道周期噪声自适应控制模块的机箱前后面板示意图；图5是本发明具体实施例照片；图6是本发明具体实施例中信号条件/驱动模块的机箱前后面板照片；图7是本发明具体实施例中16只误差传声器处的实测降噪效果。
五具体实施例方式实施例对所要控制的电力变压器噪声进行测量，若其噪声频谱在100Hz、200Hz、 300Hz附近出现明显的线谱分量时，则可以采用本发明。首先测量电力变压器噪声在100Hz、200Hz、300Hz附近线谱的声场分布并确定需要达到的降噪量，然后根据测量得到的数据和拟实施的控制源的数目，对传声器和控制源的位置和个数进行优化。所用的优化方法可以参见现有出版物(仪垂杰译，噪声和振动的主动控制，科学出版社，2002 ；陈克安、马远良，自适应有源噪声控制-原理、算法及实现，西北工业大学出版社，1993)。如图5所示，本实施例的电力变压器有源噪声控制系统，包括传声器1、控制源2、 参考信号传感器3和控制台4，传声器1和控制源2位于变压器8的上方和周围，参考信号传感器3安装在变压器8表面。传声器1、控制源2和参考信号传感器3均与控制台4连接。其中，控制台4由信号条件/驱动模块5、多通道周期噪声自适应控制模块6、人机交互模块7构成。传声器采用驻极体传声器，本示例中数目为16个，灵敏度为24mV/Pa，布放在控制源形成的包络面外远离变压器8的一侧。控制源采用扬声器，本示例中数目为16个，均布在变压器8的上方和周围。扬声器为长方体闭箱扬声器，额定功率60W，箱体安装单元的面为正方形，边长为23cm，箱体高度为18cm。参考信号传感器采用加速度计，灵敏度为50mV/g，安装在变压器的表面，直接连接至控制台上的多通道周期噪声自适应控制模块。
信号条件/驱动模块本示例中共使用4组，每组模块负责4路传声器采集信号的放大滤波和4路控制源的驱动，一一对应。条件器输入电信号的幅度在30 75mV范围内为正常，相应的指示灯显示绿色；低于30mV为微弱，指示灯不亮；高于75mV为过载，指示灯显示红色。条件器最大增益为MdB。驱动电路输入电信号的幅度正常的范围为20 500mV， 最大增益为26. 5dB，最大输出功率为30W。多通道周期噪声自适应控制模块，由两块数字信号处理板组成，处理器主频为 450M Hz，运算能力为2700 MFLOPS，内存为5Mb。该模块有17路输入(16路由传声器采集经信号条件/驱动模块的误差信号和1路参考信号传感器采集的参考信号)和16输出驱动16个控制源。误差信号输入最大幅度2. 8V，最大动态范围为112dB，采样频率为48k Hz ； 参考信号最大输入幅度为200mV ；输出信号的最大幅度为2. 8V。人机交互模块通过串口与多通道周期噪声自适应控制模块进行数据交换。管理员通过人机交互模块中的电脑触摸屏显示的控制面板向多通道周期噪声自适应控制模块发送指令，操作本实施例中电力变压器有源噪声控制系统，并观察控制效果。本实施例中的有源噪声控制系统开启工作后，16只误差传声器处实测的噪声控制效果如图7所示，可以发现100Hz、200Hz、300Hz的噪声分量都得到了降低，降噪量均大于10dB。
权利要求
1.一种电力变压器噪声多通道有源控制系统，其特征在于该系统包括传声器(1)、控制源O)、参考信号传感器⑶和控制台G)，传声器⑴和控制源⑵位于变压器⑶的上方和周围，参考信号传感器C3)安装在变压器(8)表面，传声器(1)、控制源( 和参考信号传感器⑶均与控制台⑷连接，控制台⑷由信号条件/驱动模块(5)、多通道周期噪声自适应控制模块(6)、人机交互模块(7)构成。
2.根据权利要求1所述的变压器噪声多通道有源控制系统，其特征在于参考信号传感器(3)为加速度计、也可以是驻极体传声器及电磁感应线圈，安装在变压器(8)表面。
3.根据权利要求1所述的变压器噪声多通道有源控制系统中控制台(4)的结构，其特征在于信号条件/驱动模块(5)负责误差信号和控制信号的放大滤波；多通道周期噪声自适应控制模块(6)负责接收人机交互模块(7)的指令和参数，改变工作状态，并定期发送各组件的工作状态数据；人机交互模块(7)负责接收管理员的操作并发送至多通道周期噪声自适应控制模块(6)，此外还需要定期动态显示变压器噪声多通道有源控制系统各组件的工作状态。
4.根据权利要求1所述的变压器噪声多通道有源控制系统的四通道信号的条件/驱动处理模块(5)，其特征在于误差传声器的信号条件器和次级声源驱动模块一一对应，四个一组，多组构成多通道有源控制系统前端。
5.根据权利要求1所述的变压器噪声多通道有源控制系统的多通道周期噪声自适应控制模块(6)，其特征在于采用数字信号处理芯片，单独构成机箱，误差信号输入接口和控制信号输出接口均通过信号线和信号条件/驱动模块( 相连，参考信号输入接口可以与信号条件/驱动模块( 相连也可以直接连接参考信号传感器(3)。
6.根据权利要求1所述的变压器噪声多通道有源控制系统的人机交互模块(7)，其特征在于使用电脑触摸屏幕显示控制面板并接收管理员的操作，通过串口和自适应信号处理模块交换数据。
全文摘要
本发明公开了一种电力变压器噪声有源控制系统，该系统包括传声器、控制源和多通道周期噪声自适应有源控制器，可以单独或者同时降低电力变压器噪声中100Hz、200Hz及300Hz附近的分量，自动化程度高，降噪效果好，与传统的变压器降噪方法相比，在上述频率附近的噪声峰值降噪效果好，理想条件下可以在传声器处降低至周围环境噪声的量级；本系统使用信号条件/驱动模块分布式管理信号输入输出，通道扩展性好，便于系统实现和维护；此外，受现场安装空间影响小，有利于电力变压器的通风散热。
文档编号H01F27/33GK102208263SQ20111004446
公开日2011年10月5日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者张丽敏, 薛金佩, 邱小军, 陶建成 申请人:南京大学