El sonido del silencio

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El sonido del silencio

Sencillo y agradable

El sonido

del silencio

Diseño y fabricación de transformadores silenciosos

Ramsis Girgis, Jan Anger, Donald Chu

El silencio es una fuente de fuerza enorme. Aunque estas palabras las pronunciara el

antiguo filósofo chino Lao Tse, se podrían aplicar igualmente a los modernos transformadores

de potencia. Tan importante es que estos aparatos nos suministren energía, como

no pasar por alto los aspectos negativos de su funcionamiento. Uno de los principales

es el molesto ruido que producen.

Probablemente la normativa más exigente del mundo en materia de ruido es la que se

aplica en la ciudad de Nueva York. Para suministrar transformadores a esta ciudad, ABB

tiene que satisfacer unos requisitos muy exigentes. Gracias a los profundos y detallados

conocimientos que ABB tiene de las vibraciones y el ruido de los transformadores, ha

podido cumplir esas especificaciones y está bien situada ahora para servir transformadores

similares a otras ciudades importantes.

Revista ABB 2/2008

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El sonido del silencio

Sencillo y agradable

Actualmente, existe una

creciente preocupación

mundial por el medio ambiente,

y cada vez es más importante

la reducción del ruido

cerca de las zonas residenciales.

Los transformadores vibran

durante su funcionamiento,

lo que produce un zumbido

característico que se clasifica

como “ruido” 1 . Éste se caracteriza

principalmente por cuatro

tonos puros, cuyas frecuencias

se encuentran dentro del

espectro del habla humana 2 .

El ruido, por su carácter tonal,

causa molestia e irritación.

Por ello, es importante librar

de él a las zonas residenciales.

Esto es de particular importancia en

las zonas urbanas con viviendas situadas

muy cerca de transformadores de transmisión

y distribución de potencia.

En muchos países, las administraciones

locales y nacionales han fijado los niveles

de ruido admisibles, desde valores

normales en las áreas rurales, a otros

más bajos cerca de las grandes ciudades,

y a otros extremadamente bajos en

ciertas partes de la ciudad de Nueva

York.

Para satisfacer estas limitaciones de ruidos

es preciso entender el proceso de

producción, transmisión y radiación del

sonido. Estos conocimientos han permitido

a ABB diseñar y fabricar transformadores

silenciosos para clientes de

todo el mundo. Hace poco, ABB sirvió a

la empresa ConEd (con sede en Manhattan,

Nueva York, cuya reglamentación

sobre ruidos es la más exigente del

mundo) varios transformadores con un

nivel de ruido extremadamente bajo,

1 Curvas de nivel del ruido alrededor de una pequeña subestación con

dos transformadores de 40 MVA. Cuando el ruido supera cierto nivel,

puede ser muy desagradable para el oído humano.

T -180

que denominaremos “transformadores

silenciosos”. Ampliaremos más adelante

la cuestión de las normativas.

Nivel de ruido y espectro de

frecuencias

El sonido produce minúsculas variaciones

oscilatorias de la presión del aire,

que el oído humano percibe por encima

de cierto valor umbral y cuando la frecuencia

de las oscilaciones de presión

se encuentra entre 20 Hz y 20 kHz. Las

limitaciones en el nivel de ruido suelen

venir determinadas por la percepción

humana del sonido, que es logarítmica

y dependiente de la frecuencia. Por

ejemplo, el oído humano es diez veces

menos sensible al sonido de 100 Hz que

de 1.000 Hz, y cada vez que se duplica

la presión absoluta del sonido, la percibe

como un pequeño aumento de su

nivel. Por tanto, el sonido se mide en

decibelios (dB), que se definen como

1 dB = 10 x Log10 (presión de sonido).

N

TRAZADO:

BANDA:

Octava

Total

Presión acústica

en dB (A)

50

45

40

35

30

25

20

Los niveles del sonido se presentan

y especifican normalmente

como decibelios con

ponderación A, dB(A), donde

los niveles del sonido se atenúan

de acuerdo con su frecuencia

por un “filtro A”, que

representa la respuesta de frecuencia

del oído humano 3 .

Ahora existen normas (IEEE e

IEC) que especifican la forma

de medir el ruido de los transformadores.

Sin embargo, ciertos

clientes exigen que se informe

del nivel total de ruido

colectivo del transformador en

dB(A), mientras que otros piden

un informe para cada componente

de frecuencia. Ciertos clientes

sólo exigen la medición del ruido del

núcleo y del ventilador, y otros piden el

nivel del ruido total del transformador,

incluido el ruido de carga.

Ruido del transformador

En los transformadores de potencia hay

tres fuentes de sonido/ruido:

Ruido del núcleo, producido por los

efectos de la magnetostricción;

Ruido de carga, producido por las

fuerzas electromagnéticas en los devanados

y en los componentes estructurales

a causa de las fugas de flujo asociadas

con la corriente;

Sonido producido por el funcionamiento

de los equipos de refrigeración,

ventiladores y bombas.

Ruido del núcleo producido por los

efectos de la magnetostricción

La magnetostricción designa las deformaciones

mecánicas del laminado del

2 Espectro de frecuencias típico del ruido producido por un

transformador de potencia de 60 Hz

3 Respuesta en frecuencia del filtro de atenuación ponderado a

sonidos de distintas frecuencias

80

0

presión acústica, dB(A)

70

60

50

40

Atenuación, dB

-10

-20

-30

-40

30

0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200

Frecuencia/Hz

10 20 40 100 200 400 1k 2k 4k 10k 20k

Frecuencia/Hz

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núcleo en respuesta a la aplicación de

un campo magnético. La variación de

las dimensiones es independiente de la

dirección del flujo y, por lo tanto, se

produce al doble de la frecuencia de

alimentación. No obstante, ya que la

curva de magnetostricción no es lineal,

a mayores densidades de flujo se introducen

mayores armónicos de la frecuencia

de orden par 4 . En consecuencia, el

ruido del núcleo tiene componentes a

múltiplos de 100 o 120 Hz (respectivamente

para los transformadores de 50 y

60 Hz). Las magnitudes relativas del

r uido para estos componentes distintos

de la frecuencia dependen del material

del núcleo, de su geometría, de la densidad

de flujo de funcionamiento y de lo

próximas que se encuentren las frecuencias

de resonancia del núcleo y de la

cuba a las frecuencias de excitación.

Ruido de carga producido por fuerzas

electromagnéticas

El ruido de carga se produce principalmente

por la interacción de la corriente

de carga en los devanados y por la pérdida

de flujo producida por esta corriente.

Por tanto, la frecuencia principal de

este sonido es el doble de la frecuencia

de alimentación: 100 Hz para los transformadores

de 50 Hz, y 120 Hz para los

de 60 Hz. Si la corriente de carga incluye

armónicos importantes –por ejemplo,

en los transformadores rectificadores–

las fuerzas incluyen armónicos de mayor

frecuencia. Estos armónicos adicionales

son una fuente importante de ruido que

debe tenerse en cuenta al pedir un

transformador. El nivel de ruido de la

corriente de carga depende en gran

medida de la carga del transformador.

Si se reduce la corriente a la mitad, se

consigue una reducción de 12 dB en el

ruido debido a la corriente de carga.

Sonido producido por los equipos de

refrigeración

El carácter de la frecuencia del ruido de

los ventiladores es distinto que el del

sonido del núcleo y los devanados. No

incluye tonos discretos, sino que cubre

una amplia banda de frecuencias con

un pico en la frecuencia del “paso de

álabe”, la frecuencia a la que los álabes

del impulsor del ventilador pasan por

cierta perturbación rígida en el flujo de

aire (y, a veces, al doble de esa frecuencia).

Las bombas también producen un

ruido con una banda ancha de frecuencia

y contribuyen al ruido total del

transformador.

Características de diseño

Los transformadores de potencia diseñados

por ABB en la década pasada, los

TrafoStar, solían tener unos niveles de

ruido bastante más bajos que los que se

fabricaban hace 20 o 30 años. Esto se

debe a:

Diseño del núcleo de los transformadores

para proporcionar una distribución

más uniforme del flujo magnético

con un menor contenido global de

armónicos del flujo en el núcleo y

en sus juntas. Para optimizar los diseños

del núcleo y reducir su ruido se

emplearon detallados modelos en

dos y tres dimensiones del campo

magnético 5 .

El núcleo se mantiene unido mediante

una estructura de fijación que proporciona

una presión uniforme en sus

láminas, al tiempo que se evitan

deformaciones locales. ABB emplea

herramientas de diseño propio para

calcular las vibraciones en el núcleo

que tienen en cuenta los distintos

modos de vibración y resonancia

mecánica, así como las fuerzas complejas

que excitan el núcleo de un

transformador trifásico 6 .

La cuba TrafoStar está diseñada para

evitar todo aumento innecesario del

ruido gracias a su alto rendimiento de

radiación o resonancia. Se han desarrollado

simulaciones acústicas, verificadas

mediante modelos a escala, que

han aportado las herramientas precisas

que evitan las resonancias de las

4 Ejemplo de curva de magnetoestricción;

cambio relativo de la longitud del núcleo

de laminado de acero durante un ciclo

completo de flujo alterno.

5 Distribución del flujo magnético en un

núcleo trifásico

2

1

0

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0

-1

2

Densidad de flujo (T)

6 Modelización tridimensional de las vibraciones mecánicas

de un núcleo trifásico

7 Modelización tridimensional de la radiación sonora de la cuba de un

transformador trifásico

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cubas y que reducen la radiación del

sonido 7 .

Transformadores con menos ruido

Menor ruido del núcleo

Además de buscar una magnetostricción

baja, empleando para el núcleo acero

con mayores grados de orientación

magnética y disminuyendo la densidad

de flujo en el mismo, se puede reducir

el ruido en el núcleo mediante otras

medidas desarrolladas a lo largo de los

años, como:

Desacoplamiento de las vibraciones

del núcleo de la cuba del transformador.

Para conseguir buenos resultados,

es preciso considerar con atención

las propiedades del núcleo y de

la cuba del transformador. Hay que

diseñar correctamente los elementos

de aislamiento de las vibraciones.

Evitar la resonancia, tanto de la cuba

como del núcleo. Para ello hay que

predeterminar con precisión los

valores de las distintas frecuencias

de resonancia del núcleo y de la

cuba 8 .

Tratamiento de amortiguamiento de la

cuba.

Empleo de paneles o cajas antirruido

que cubran partes de la cuba o todo

el conjunto (para los transformadores

que deban satisfacer niveles de ruido

particularmente bajos).

Diversas técnicas nuevas que tratan

de reducir la transmisión de las vibraciones

del núcleo y, en consecuencia,

la radiación de sonido producida.

Menor ruido de carga

El tipo y la disposición del devanado, la

densidad de corriente, el apantallamiento

y los shunt de la cuba y sus parámetros

de diseño afectan considerablemente

la magnitud del ruido de carga. Un

considerable trabajo de desarrollo se ha

traducido en las medidas siguientes para

reducir el ruido de carga:

Empleo de diseños de devanado que

causan menores pérdidas de densidad

de flujo;

Eliminación de la resonancia del

devanado;

Mejor apantallamiento de la cuba

contra la pérdida de flujo;

Tratamiento de amortiguamiento de la

cuba;

Mejor diseño de la cuba, con reducción

de las propiedades de radiación

del sonido;

Cajas antirruido que cubran toda la

cuba.

Menor ruido del sistema de

refrigeración

Se puede reducir el ruido de los ventiladores

de refrigeración eligiendo los de

baja velocidad o los que tengan elementos

que absorban el sonido en la entrada

y salida. Otros procedimientos incluyen

ventiladores especiales o diseños

de álabes con menor ruido. En muchos

casos, cuando hay que cumplir requisitos

muy exigentes, se elimina el ruido

del ventilador diseñando el transformador

con radiadores en lugar de ventiladores.

Cuando se requieren bombas de

refrigeración, se eligen las que presentan

una baja emisión de ruido.

Requisitos para el transformador ConEd

Para cumplir los estrictos límites que fija

la normativa sobre ruidos de Nueva

York para todas las fuentes de ruido de

la ciudad, el departamento de equipos

eléctricos de ConEd ha revisado sus

especificaciones sobre ruidos para los

nuevos transformadores de potencia.

En ellas se garantiza que el sistema

eléctrico de ConEd disponga de transformadores

ultrasilenciosos. Las especificaciones

presentan los siguientes requisitos:

1) De 15 a 20 dB por debajo de lo habitual

para estos tamaños de transformadores;

2) Garantía de que no se van a superar

los niveles de ruido en las siguientes

situaciones:

a) 100 % de la tensión combinado

con 100 % de la carga

b) Sobreexcitación máxima combinada

con 40 % de la carga; y

3) Los límites rigen no sólo para el nivel

de ruido total, sino también para

cada componente de frecuencia.

Los límites máximos admisibles del

espectro de frecuencias del ruido total

del transformador (sin carga) para los

tres componentes de frecuencia más

importantes del ruido del transformador

se muestran en el Cuadro .

Estos niveles corresponden a un nivel

de ruido total de unos 59 dB(A) con el

116 % de tensión y toda la intensidad

de corriente. El valor correspondiente

para los dB(A) totales con el 100 % de

tensión y toda la intensidad de corriente

está en el margen de los 54 dB(A).

En cambio, los transformadores de este

tamaño solían tener unos niveles de

ruido en el margen de los 70 dB(A)

sólo para el ruido sin carga. Los transformadores

de bajo nivel de ruido

tendrán 10 dB menos (sin carga). Esto

da idea del alcance de las exigencias

en materia de ruido de ConEd en

comparación con los transformadores

Cuadro Límites máximos admisibles para las

tres frecuencias más importantes

Frecuencia central

de la banda

de octavas (Hz)

Nivel admisible

(dB)

125 250 500

71 64 57

8 Resonancia mecánica de un núcleo trifásico de cinco columnas 9 Transformador ConEd ultrasilencioso con cápsula antirruido

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10 Transformador ConEd ultrasilencioso con paneles antirruido 11 Transformador ConEd ultrasilencioso sin cápsula ni paneles antirruido

clásicos e incluso con los de bajo nivel

de ruido.

Pero no eran éstos los únicos retos.

Los requisitos de ConEd imponen otras

limitaciones al diseño, como:

Límites estrictos sobre el peso, la

anchura y la altura a fin de permitir el

transporte por Manhattan;

Límites estrictos sobre la variación de

la impedancia de los transformadores

a lo largo del margen de los cambiadores

de tomas;

Requisitos importantes de sobrecarga

(hasta el 200 %); y

Límites sobre las temperaturas en

los puntos calientes del devanado a

distintas cargas.

Los diseños que exigía ConEd correspondían

a sus transformadores de red

normalizados de 65 MVA y 93 MVA.

Soluciones para el transformador

de ConEd

El diseño de un transformador para esos

niveles ultrabajos de ruido, sin dejar de

adaptarse al resto de las limitaciones,

sólo es posible si el fabricante es capaz

de realizar lo siguiente:

Cálculo exacto del nivel de ruido del

núcleo en función de su densidad de

flujo;

Cálculo exacto del ruido de carga;

Cálculo exacto de las frecuencias de

resonancia del núcleo, los devanados,

las planchas y los rigidizadores de la

cuba;

Cálculo preciso del espectro de frecuencias

del núcleo en función de la

densidad de flujo;

Medios eficaces para reducir el ruido

del núcleo y de la carga para las distintas

frecuencias;

Técnicas adecuadas para montaje de

los transformadores; y

Técnicas precisas de medición en

interiores (en fábrica) de los niveles

de ruido bajo.

Cuanto más precisos sean los cálculos,

menor será el margen del diseño resultante

y más fácil será cumplir unas especificaciones

exigentes.

Una historia de éxito

En primavera de 2003, ABB disponía de

la tecnología para diseñar transformadores

de bajo nivel de ruido, pero no para

los niveles o los detalles que exigían las

especificaciones revisadas de ConEd

para transformadores ultrasilenciosos.

Así, ABB identificó el trabajo de I+D

para adelantar las posibilidades del

momento hasta el nivel de rigor que

permitiera diseñar con éxito y fabricar

los transformadores solicitados por

ConEd.

El equipo de desarrollo de tecnología de

ABB trabajó arduamente en las ocho

áreas tecnológicas relacionadas con el

ruido que acabamos de examinar. Como

consecuencia de los progresos alcanzados,

ConEd adjudicó a ABB el contrato

para fabricar los primeros transformadores

ultrasilenciosos de 93 MVA. Éstos se

diseñaron empleando la tecnología disponible,

se probaron y se entregaron

sin problemas en 2005. El primero iba

equipado con una caja antirruido 9 . El

segundo y tercero sólo llevaban adosados

paneles antirruido en las paredes de

la cuba 10 .

Posteriormente, ConEd pidió a ABB de

dos transformadores ultrasilenciosos de

65 MVA. Se diseñaron empleando la

tecnología más reciente contra ruidos

disponible en 2005. Se fabricaron sin

cajas ni paneles exteriores antirruido 11 .

En realidad, la segunda unidad se diseñó

con un devanado de un peso considerablemente

menor, que demostró

tener 4 dB menos de ruido de carga que

la primera. Los componentes de frecuencia

del ruido total de núcleo y de

carga de este transformador se encontraban

entre 2 y 5 dB menos que los niveles

ultrabajos exigidos por ConEd.

A raíz de este éxito, ConEd pidió cinco

unidades más de 93 y 65 MVA para 2008

y principios de 2009. Estos transformadores

se diseñaron empleando la tecnología

más reciente desarrollada en ABB.

Por tanto, fue posible actualizar su

diseño consiguiendo un peso bastante

menor para el núcleo y los devanados y

cumpliendo los requisitos de ConEd.

La tecnología de transformadores ultrasilenciosos

desarrollada se está empleando

ahora para realizar diseños óptimos

de este tipo de transformadores para

otros clientes en zonas urbanas de todo

el mundo.

Ramsis Girgis

ABB Inc.

St. Louis, Mo, Estados Unidos

ramsis.girgis@us.abb.com

Jan Anger

ABB Inc.

Ludvika, Suecia

jan.anger@se.abb.com

Donald Chu

ConEd

New York City, Estados Unidos

chud@coned.com

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