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.
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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
50 Revista ABB 2/2008

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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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