Modelo vibroacústico de reatores elétricos com núcleo de ar

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011Nos sistemas de corrente contínua em alta tensão usados para transmissão de energia elétrica em longas distâncias, o processo de retificação, que consiste na transformação de corrente alternada para corrente contínua, e o processo de inversão, que corresponde à transformação de corrente contínua para corrente alternada, produzem tensões e correntes harmônicas que podem gerar elevados níveis de ruído. Dentre os equipamentos elétricos que mais contribuem na geração do ruído estão os reatores com núcleo de ar. Em geral, o ruído gerado por estes equipamentos depende principalmente da vibração que é induzida na sua estrutura através da ação de forças magnéticas resultantes do fluxo de corrente que circula no reator. O objetivo principal desta pesquisa consiste no desenvolvimento de um modelo vibroacústico que permita determinar o ruído gerado por estes equipamentos. Devido à natureza do problema abordado, o modelo proposto é formado por três modelos discretos desacoplados. O primeiro modelo é usado para calcular as forças resultantes da indução magnética gerada pelo reator. O segundo modelo busca representar o comportamento dinâmico dos reatores em funcionamento, permitindo assim, determinar a velocidade de vibração ao longo de toda a superfície do reator. E o terceiro modelo simula a radiação sonora dos reatores. Os dois primeiros modelos foram desenvolvidos a partir do método numérico de elementos finitos enquanto que o modelo de radiação sonora foi elaborado usando o método de elementos de contorno, uma vez que o domínio de cálculo tem uma extensão infinita. Ensaios experimentais para caracterizar o comportamento estrutural e também o campo acústico foram realizados com o objetivo de aprimorar e validar o modelo vibroacústico propostoHigh voltage direct current (HVDC) converter stations operate by rectifying high voltage AC power to DC power. As a consequence of the AC/DC conversion process, voltage and current harmonics are produced at both AC and DC sides. The voltage and current harmonics are then applied through the components within the converter station. Thus, sounds with different tones and magnitudes are excited. Often the sound generated is perceived as a nuisance at nearby residential areas. Regarding acoustics requirements, air-core reactors, transformers and capacitors are the major sound sources in HVDC stations. The generation of sound by an air-core reactor is mainly dependent on vibration of its structure caused by electrical excitation, as a result of current flow through the equipment. The aim of this research is to develop a vibroacoustic numerical model in order to calculate the sound generated by air-core reactors. According to the type of the problem that is being studied, the model proposed is established by three discrete-uncoupled models. The first one is used to calculate the forces generated by the magnetic induction acting on the reactor. The second model describes the dynamic behavior of the reactor while it is running. As a result of the second model we have the velocity of vibration of the reactor. The last model is used to simulate the sound radiation by the reactor. While the first two models were developed using finite element method, the model that describes the sound radiation was developed using boundary element method. Experimental tests were made to describe the structural and acoustic behavior and also to update and validate the results obtained with the vibroacoustic model propose