CN106158301A - 配电变压器运行噪声有源降噪系统 - Google Patents

Abstract

本发明属有源降噪技术领域。主要解决了配电变压器运行噪声控制的关键问题。主要技术特征，在配电柜中运行的配电变压器，通过噪声麦克风、振动传感器或电压电流传感器等，采集配电变压器运行状态信号，将模拟信号转化为数字信号，经过信号放大和采样，在线辨识配电变压器运行噪声频谱，经过有源噪声控制算法，形成控制信号，将数字信号转化为模拟信号，经过功率放大电路，驱动控制声源发声或激励振动器振动，通过控制声源和配电变压器运行噪声的叠加，达到同时消除控制声源和配电变压器运行噪声的目的。突出特点是通过有源降噪技术消除配电变压器运行噪声，可广泛应用于楼宇配电房等。

Description

配电变压器运行噪声有源降噪系统

技术领域

本发明涉及的是有源噪声控制技术。具体涉及的是配电变压器运行噪声有源降噪系统。

背景技术

噪声污染已经成为继大气污染，水污染之后的第三大污染源。当人们长时间暴露在噪声环境下时，可能导致人类听力的损害，引发各种神经系统疾病，例如头晕、头痛、失眠、记忆力减退以及恐惧、易怒、自卑甚至精神错乱等，更加严重的，可能会诱发高血压和心脏病等。

大量的配电房均位于居民住宅小区楼内，配电变压器运行带来低频轰鸣声，极大影响居民的日常生活和睡眠，引发群体上访投诉等事件。探寻有效降低变压器运行噪声的方法和措施，显得至关重要。

从变压器运行噪声来源来看，变压器运行噪声主要包括变压器本体噪声和辅助冷却装置噪声，其中，本体噪声包括铁心、绕组、油箱所产生的噪声，辅助冷却噪声包括风扇和油泵噪声。除了高频的电磁噪声外，辐射能量较大、对人体影响和变压器结构影响显著的，主要为低频振动噪声。

从变压器运行噪声控制方式来看，主要包括三种：在声源处控制，在传播路径上控制以及在人耳处控制。

从声源处降低变压器运行噪声，能够取得的降噪效果最好，研究表明，通过改进铁心材料和结构，可以实现变压器本体噪声降低5-10dB，通过合理选择冷却器类型、加强油箱与散热片间连接等方式，可以降低辅助冷却装置噪声；从声音传播路径上控制，例如使用声吸收阻抗面、声音隔离墙、声音屏障以及阻尼减振等策略，也可以在很宽频率范围内消除变压器运行噪声的中高频分量，这种控制方法称为无源噪声控制，也称为被动控制，是目前使用较为广泛的方法，但是对于以低频噪声为主的变压器运行噪声，采用无源噪声控制方法，则会造成系统吸声材料成本和重量的极大增加，不利于工业实际应用，而且针对不同的变电站和变压器类型，系统设计和材料选择均不相同，设计复杂而且成本较高，同时存在工程量大、施工难度大，费用高和安全风险大等诸多问题；从人耳处控制，主要是采用消声耳机、耳罩等方式，降低进入人耳的噪声。

发明内容

本发明的目的在于针对配电变压器运行低频噪声，克服传动被动降噪方法设计复杂、成本较高、施工难度大，费用高和安全风险大等诸多问题的关键技术问题，通过有源降噪技术，实现配电变压器低频运行噪声的有源降噪控制。

为解决上述缺点，本发明的技术方案如下：

对于运行在配电柜中的配电变压器，通过噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器等，采集配电变压器运行状态信号，形成噪声源信号，同时通过误差传感器采集控制后的误差信号，输入硬件控制系统，经过信号放大和抗混滤波器电路，将模拟信号转化为数字信号采样，噪声源信号和误差信号经过有源噪声控制算法运算后，形成噪声控制信号，将数字信号转化为模拟信号，经过功率放大电路，驱动控制声源发声或者振动激励器振动，形成控制声源，通过控制声源和配电变压器运行噪声的叠加，达到消除配电变压器运行噪声的目的。

根据噪声源信号、误差信号以及噪声控制信号的多少，分为单通道控制系统和多通道控制系统。

作为一种优选，所述噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器任选其一或者组合，其主要工作原理为：对于噪声麦克风和振动传感器，直接进行频谱分析，形成噪声和振动频谱；对于电流传感器，测试配电变压器负载情况与噪声频谱的关系曲线，根据电流大小分析配电变压器负载情况，进行查表得到配电变压器运行噪声频谱。

作为另一种优选，所述控制声源发声或者振动激励器振动，包括声源喇叭或者激振器，对于控制声源，安装在配电柜上，根据控制信号形成声源；对于振动激励器，直接安装在配电变压器表面，通过振动来抑制配电变压器的振动，达到消除噪声的目的。

配电变压器运行噪声有源降噪系统，主要包括三个部分：物理系统、硬件控制系统和有源噪声控制算法软件系统。

配电变压器运行噪声有源降噪系统的物理系统，主要构成为：配电柜采用高频吸声材料，达到高频噪声控制目的，同时变压器本体上安装振动传感器和麦克风传感器，识别配电变压器运行噪声频谱；配电柜上安装控制声源喇叭产生控制声源，或在配电变压器本体上安装振动激励器产生振动信号。

配电变压器运行噪声有源降噪系统的硬件控制系统，由人机接口进行状态显示和操作，硬控制系统采用模块化设计，包括电源模块、通信及管理模块、DSP&CPU运算模块、AD采样模块以及DA输出模块；硬件控制系统的主要原理为：噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器将采集的声压信号转化为电压信号，经过前置放大器和抗混叠滤波器后进行AD采样，将模拟信号转化为数字信号，进入DSP自适应控制算法，产生控制声源或振动激励器驱动信号，由DA模块转化为模拟信号后经过重构滤波器和功率放大器，驱动控制声源喇叭发声或振动激励器振动。

配电变压器运行噪声有源降噪系统的有源噪声控制算法软件系统，根据系统次级声源和误差传感器个数不同，分为单通道算法和多通道算法；根据信号运算域不同，可以分为时域算法和频域算法；根据噪声源信号频谱特点出发，可以分为窄带噪声控制算法和宽带噪声控制算法等。

有源噪声控制算法包括但不限于滤波-x最小均方算法(Filter-x Least Mean Square，FxLMS)，滤波-u递归最小均方算法(Filter-u Recursive LMS，FuRLMS)，反馈FxLMS算法(Feedback FxLMS，FBFxLMS)以及混合FxLMS算法(Hybrid FxLMS，HFxLMS)，基于波形综合的周期噪声有源控制算法(Wave Synthesis Method，WSM)，自适应陷波滤波器(Adaptive Notch Filter，ANF)，牛顿法(Newton’sMethod)和最速下降法(Steepest Descent Method)，递归最小平方(Recursive Least Square，RLS)算法，快速FHF(Fast HouseHolder Filter，FHF)算法和FTF(Fast Transversal Filter)算法，快速仿射投影算法(FastAffine Projection，FAP)，多通道滤波-x FTF算法以及多通道共轭FTF算法，多通道快速仿射投影算法(Multi-channel FastAffine Proiection)，Volterra滤波器、径向基神经网络、多层感知器网络以及基于LMS算法的神经网络控制器，卡尔曼滤波器算法以及遗传算法等非线性控制算法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、本发明立足克服传统隔声降噪的缺点，针对变压器低频运行噪声，利用现代电力电子技术和计算机控制技术，具有结构简单、成本低等优点，同时由于控制系统采用自适应控制策略和算法，能够应对环境、温度和系统结构变化对变压器噪声带来的影响，能够准确跟踪识别不同类型、不同负载下变压器运行噪声，极大提高了控制系统的稳定性和灵活性，具有极高的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的硬件控制系统原理示意图。

图3为本发明的有源噪声控制算法示意图。

图4为本发明的具体实施方式示意图。

图5为本发明具体实施方式的控制装置。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一套配电变压器运行噪声有源降噪系统，如图4所示，包括配电柜本体1，配电变压器本体2，电流传感器3和噪声麦克风传感器4，控制声源喇叭5，误差麦克风传感器6，硬件控制系统7和有源噪声控制算法8，控制声源喇叭和误差麦克风传感器数量均为4个，为4通道的有源降噪系统。

电流传感器3监测配电变压器运行负荷情况，根据电流-声压频谱曲线，结合噪声麦克风传感器4进行自学习和校正，形成噪声源信号，按照某个采用周期，进入硬件控制系统7，通过有源降噪控制算法，形成控制信号，驱动控制声源喇叭5发声，控制声源和配电变压器运行噪声源相叠加，通过误差麦克风传感器6监测控制后的误差信号，反馈控制算法中，达到同时消除噪声源和控制声源的目的。

配电变压器运行噪声有源控制装置，采用模块化设置，通过CAN总线进行各模块之间的数据传输和通信，包括电源模块、通信模块、AD采样模块和DA输出模块。

一套可视化的人机接口，可以对硬件控制系统进行参数设置和运行状态显示、打印输出等。

上述事实例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一套配电变压器运行噪声有源降噪系统，其主要技术特征在于：对于运行在配电柜(1)中的配电变压器(2)，通过噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器(3)等，采集配电变压器运行状态信号，形成噪声源信号(5)，同时通过误差传感器(4)采集控制后的误差信号(6)，输入硬件控制系统(7)，经过信号放大和抗混滤波器电路(8)，将模拟信号转化为数字信号采样(9)，噪声源信号和误差信号经过有源噪声控制算法(10)运算后，形成噪声控制信号(11)，将数字信号转化为模拟信号(12)，经过功率放大电路(13)，驱动控制声源发声或者振动激励器振动(14)，形成控制声源，通过控制声源和配电变压器运行噪声的叠加，达到消除配电变压器运行噪声的目的。

2.根据权利要求1所述的噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器(3)，其主要特征在于：传感器类别包括噪声麦克风，电流传感器以及振动传感器等，其主要工作原理为：对于噪声麦克风和振动传感器，直接进行频谱分析，形成噪声和振动频谱；对于电流传感器，测试配电变压器负载情况与噪声频谱的关系曲线，根据电流大小分析配电变压器负载情况，进行查表得到配电变压器运行噪声频谱。

3.根据权利要求1所述的控制声源发声或者振动激励器振动(14)，其主要特征在于：对于控制声源，安装在配电柜上，根据控制信号形成声源；对于振动激励器，直接安装在配电变压器表面，通过振动来抑制配电变压器的振动，达到消除噪声的目的。

4.根据权利要求1所述的配电变压器运行噪声有源降噪系统，主要包括三个部分：物理系统、硬件控制系统和有源噪声控制算法软件系统。

5.根据权利要求4所述的物理系统，其主要技术特征在于：配电柜采用高频吸声材料，达到高频噪声控制目的，同时变压器本体上安装振动传感器和麦克风传感器，识别配电变压器运行噪声频谱；配电柜上安装控制声源喇叭产生控制声源，或在配电变压器本体上安装振动激励器产生振动信号。

6.根据权利要求4所述的硬件控制系统，其主要技术特征在于：由人机接口进行状态显示和操作，硬件控制系统采用模块化设计，包括电源模块、通信及管理模块、DSP&CPU运算模块、AD采样模块以及DA输出模块，根据噪声源信号(5)、误差信号(6)以及噪声控制信号(11)的多少，决定控制系统为单通道控制系统或者多通道控制系统；硬件控制系统的主要原理为：噪声麦克风、电量传感器或者振动传感器将采集的声压信号转化为电压信号，经过前置放大器和抗混叠滤波器后进行AD采样，将模拟信号转化为数字信号，进入DSP自适应控制算法，产生控制声源或振动激励器驱动信号，由DA模块转化为模拟信号后经过重构滤波器和功率放大器，驱动控制声源喇叭发声或振动激励器振动。

7.根据权利要求4所述的有源噪声控制算法软件系统，其主要技术特征在于：根据系统次级声源和误差传感器个数不同，分为单通道算法和多通道算法；根据信号运算域不同，可以分为时域算法和频域算法；根据噪声源信号频谱特点出发，可以分为窄带噪声控制算法和宽带噪声控制算法等；具体算法包括但不限于滤波-x最小均方算法(Filter-x Least Mean Square，FxLMS)，滤波-u递归最小均方算法(Filter-u RecursiveLMS，FuRLMS)，反馈FxLMS算法(Feedback FxLMS，FBFxLMS)以及混合FxLMS算法(Hybrid FxLMS，HFxLMS)，基于波形综合的周期噪声有源控制算法(Wave Synthesis Method，WSM)，自适应陷波滤波器(Adaptive Notch Filter，ANF)，牛顿法(Newton’s Method)和最速下降法(Steepest Descent Method)，递归最小平方(Recursive Least Square，RLS)算法，快速FHF(Fast HouseHolder Filter，FHF)算法和FTF(Fast Transversal Filter)算法，快速仿射投影算法(Fast Affine Projection，FAP)，多通道滤波-x FTF算法以及多通道共轭FTF算法，多通道快速仿射投影算法(Multi-channel Fast Affine Projection)，Volterra滤波器、径向基神经网络、多层感知器网络以及基于LMS算法的神经网络控制器，卡尔曼滤波器算法以及遗传算法等非线性控制算法。