El ruido de los transfomadores es una de las quejas más persistentes en la infraestructura eléctrica y una de las peor gestionadas. La respuesta típica es colocar una barrera acústica alrededor de la unidad y esperar lo mejor. El resultado típico es un transformador que se calienta, aún emite un zumbido audible y requiere un costoso retrabajo. La mitigación eficaz del ruido sigue una lógica diferente: Diagnostique primero, arregle en la fuente y luego aplique medidas estructurales y acústicas solo donde sea necesario.

Esta hoja de ruta brinda a los ingenieros y administradores de instalaciones un proceso estructurado, paso a paso, para reducir el ruido del transformador a niveles cómodos y conformes, ya sea especificando una nueva unidad, poniendo en servicio un transformador recientemente instalado o modernizando una instalación existente que ha generado quejas de los vecinos.

Comprender las tres fuentes físicas del ruido de los transformadores

Antes de seleccionar cualquier medida de mitigación, es fundamental identificar qué mecanismo de ruido domina en una instalación específica. Aplicar la solución equivocada a la fuente equivocada es la causa principal del fracaso de los proyectos de reducción de ruido.

Fuente 1: Magnetoestricción en el núcleo

La magnetoestricción es responsable de la gran mayoría del ruido audible del transformador: normalmente del 80 al 90% de la salida de sonido total en condiciones normales de funcionamiento. Cuando las laminaciones de acero al silicio de grano orientado se exponen a un campo magnético alterno, sufren cambios dimensionales microscópicos a medida que los dominios magnéticos se alinean y realinean con cada medio ciclo. En un sistema de 50 Hz, esto produce una excitación mecánica en 100 Hz y sus armónicos (200 Hz, 300 Hz, etc.). En un sistema de 60 Hz, la frecuencia de excitación fundamental es 120 Hz.

La potencia acústica generada por magnetoestricción aumenta marcadamente con la densidad de flujo. Operar un núcleo por encima de 1,7 Tesla aumenta significativamente la producción de ruido en comparación con el mismo núcleo a 1,5 Tesla, razón por la cual las especificaciones de transformadores de bajo ruido generalmente restringen la densidad de flujo operativo junto con la calidad del material del núcleo.

Fuente 2: Vibración estructural y de bobinado

Las fuerzas electromagnéticas entre conductores que transportan corriente hacen que el conjunto del devanado vibre al doble de la frecuencia de suministro, produciendo un patrón de armónicos similar al ruido del núcleo pero que depende de la carga en magnitud. Las laminaciones sueltas, los pernos de abrazadera del núcleo con poco torque, los paneles del radiador mal asegurados y los sujetadores de la placa de cubierta con poco torque actúan como resonadores secundarios que amplifican la vibración del núcleo, a menudo de manera dramática. Un transformador que pasa las pruebas de aceptación de ruido de fábrica puede no cumplir con los límites de ruido del sitio después de que la vibración del transporte haya aflojado los sujetadores durante el transporte.

Fuente 3: Ruido del sistema de refrigeración

Los ventiladores de refrigeración (en unidades ONAF y OFAF) y las bombas de circulación de aceite añaden un ruido de banda ancha que es claramente diferente del zumbido tonal de la magnetoestricción. El ruido del ventilador normalmente aumenta los niveles de sonido entre 5 y 10 dB(A) en comparación con el enfriamiento por convección natural. La buena noticia es que el ruido de refrigeración depende en gran medida de la carga: con cargas ligeras, es posible que la refrigeración forzada no se active en absoluto. La mala noticia es que el ruido máximo de los ventiladores de refrigeración a menudo coincide con la carga máxima y la sensibilidad máxima de la comunidad al ruido industrial en las horas cálidas de la tarde.

Paso 1: Mida antes de mitigar

Todo proyecto de mitigación debe comenzar con una medición estructurada del ruido. Saltarse este paso produce dos problemas costosos: no puedes confirmar si realmente has solucionado algo y puedes invertir en una solución totalmente equivocada.

Protocolo de medición estandarizado

Las mediciones de nivel sonoro para transformadores de potencia se rigen por CEI 60076-10 (Determinación del Nivel Sonoro), que especifica un método de intensidad del sonido con micrófonos colocados a 0,3 m de la superficie del tanque del transformador. Para instalaciones en sitio donde la estricta metodología IEC no es práctica, una medición simplificada del nivel de presión sonora ponderado A (dB(A)) a 1 m de cada cara de la unidad proporciona una base operativa útil.

Parámetros clave a registrar en la medición inicial:

• SPL general ponderado A (dB(A)) en múltiples posiciones alrededor de la unidad, tanto en condiciones sin carga como con carga completa
• Espectro de frecuencia (FFT) identificar los componentes tonales dominantes: los picos fuertes a 100 Hz y 200 Hz confirman que domina la magnetoestricción; un espectro de banda ancha relativamente plano sugiere un sistema de enfriamiento o resonancia estructural
• Lecturas del acelerómetro en la abrazadera del núcleo, los paneles de la pared del tanque y las secciones del radiador para ubicar las superficies de mayor vibración e identificar cualquier panel resonante
• Nivel de ruido de fondo en el receptor sensible al ruido más cercano (por ejemplo, límite de propiedad o fachada de edificio vecino) con el transformador desenergizado, para establecer la línea de base ambiental que determina cuánta reducción se requiere realmente

La brecha entre la contribución medida del ruido del transformador en el receptor y el límite regulatorio aplicable define el objetivo de reducción requerido. Perseguir una reducción de 3 dB requiere una estrategia completamente diferente (y mucho más barata) que lograr una reducción de 15 dB.

Paso 2: Correcciones a nivel de fuente (menor costo, mayor impacto)

Las intervenciones a nivel de fuente abordan los mecanismos físicos que generan ruido, en lugar de tratar de contenerlo tras generación. Ofrecen el mayor retorno de la inversión y siempre deben agotarse antes de considerar medidas acústicas pasivas o activas.

Apriete y Amortiguación Mecánica

Una proporción significativa de los excesos de ruido de campo son causados por el aflojamiento de los sujetadores durante el transporte o el ciclo térmico, no por deficiencias fundamentales de diseño. Antes de cualquier revestimiento acústico, realizar una inspección mecánica completa:

• Vuelva a apretar todos los pernos de la abrazadera del núcleo al valor de torsión especificado por el fabricante. La sujeción de la laminación floja es la causa recuperable más común de ruido elevado del transformador en el sitio.
• Apriete todos los sujetadores de la cubierta del tanque, la trampilla de inspección y el panel del radiador. Los paneles sueltos resuenan y actúan como cajas de resonancia acústica, amplificando dramáticamente la vibración del núcleo.
• Para transformadores de tipo seco, confirme que los pernos de envío que sujetan el conjunto de núcleo y bobina a la base del gabinete se hayan retirado después de la instalación. Estos pernos se instalan para brindar rigidez al transporte pero, si se dejan en su lugar, transmiten la vibración del núcleo directamente a la estructura del gabinete.
• Aplique parches de amortiguación viscoelásticos a los paneles de pared del tanque resonantes identificados mediante un estudio con acelerómetro. Una cinta amortiguadora compatible con aceite adherida a la cara exterior de paneles resonantes identificados puede reducir la contribución del ruido del panel entre 3 y 6 dB a bajo costo.

Optimización del sistema de refrigeración

• Reemplace los ventiladores de refrigeración viejos o desequilibrados por unidades de ventilador de bajo ruido. La geometría de las aspas del ventilador, la velocidad de la punta y el estado de los cojinetes afectan la producción de ruido: los diseños modernos de ventiladores silenciosos pueden reducir el ruido de refrigeración entre 4 y 7 dB(A).
• Instale unidades de ventilador de velocidad variable (VSD) para que los ventiladores de refrigeración funcionen a la velocidad mínima para las condiciones de carga térmica. El ruido aumenta con la velocidad del ventilador: funcionar al 80 % de la velocidad nominal normalmente produce de 4 a 5 dB(A) menos de ruido que a máxima velocidad, manteniendo al mismo tiempo una refrigeración adecuada con cargas moderadas.
• Monte todos los ventiladores con arandelas antivibración de goma para evitar que la vibración del motor del ventilador se transmita a la estructura del tanque.

Control de fuente en etapa de diseño (nuevos transformadores)

Para proyectos que implican la especificación de nuevos transformadores de distribución sumergidos en aceite or transformadores tipo seco , el control del ruido a nivel de fuente debe especificarse en el momento de la contratación:

• Núcleo de acero de baja magnetoestricción : Especifique acero al silicio de grano orientado con un coeficiente de magnetoestricción optimizado para una baja emisión acústica. El acero GO de alta calidad puede ofrecer entre 3 y 5 dB menos ruido en el núcleo que los grados estándar con la misma densidad de flujo.
• Uniones centrales escalonadas : El apilamiento de laminación escalonada en las esquinas del núcleo reduce significativamente la fuga de flujo y la concentración de tensión mecánica localizada que genera ruido en las juntas. Los núcleos escalonados ahora son estándar en cualquier especificación de bajo ruido.
• Densidad de flujo operativa reducida : Especificar un núcleo diseñado para funcionar a 1,5 T en lugar de 1,7 a 1,8 T reduce sustancialmente el ruido de magnetoestricción, a costa de un núcleo más grande y ligeramente más pesado. Esta es la medida de reducción de ruido en la etapa de diseño más confiable disponible.
• Núcleos de aleación amorfa : Los transformadores con núcleo de metal amorfo exhiben niveles de magnetoestricción muy inferiores a los del acero al silicio convencional, lo que ofrece reducciones de ruido en el núcleo de 6 a 10 dB en comparación con los diseños estándar. También ofrecen importantes reducciones de pérdidas sin carga, lo que mejora la economía de la inversión en mitigación del ruido.

Paso 3: Aislamiento de vibraciones (control de transmisión estructural)

Incluso un transformador bien diseñado y mantenido adecuadamente generará cierta vibración en el núcleo. La pregunta es si esa vibración se transmite a la estructura o los cimientos del edificio e irradia como ruido secundario desde las paredes, pisos y losas. El aislamiento de vibraciones interrumpe esta vía de transmisión.

Soportes antivibración

Los soportes antivibración (almohadillas elastoméricas, aisladores de neopreno o soportes de resorte) instalados entre el marco de la base del transformador y los cimientos son la intervención única más efectiva y rentable para el ruido transmitido por las estructuras. El aislamiento efectivo requiere que la frecuencia natural del sistema de montaje sea significativamente menor que la frecuencia de excitación; para un transformador de 50 Hz que excita a 100 Hz, el sistema de montaje debe diseñarse para una frecuencia natural inferior a 15–20 Hz.

• Almohadillas elastoméricas (neopreno, compuesto de corcho y caucho) : Simple, de bajo costo y efectivo para transformadores más pequeños. Eficiencia de aislamiento típica de 4 a 8 dB. Debe tener el tamaño correcto para el peso del transformador por almohadilla.
• Soportes de resorte diseñados : Requerido para unidades más pesadas o donde se necesita una eficiencia de aislamiento superior a 8 dB. Los soportes de resorte pueden lograr de 10 a 15 dB de aislamiento estructural, pero deben diseñarse con restricciones laterales para evitar el desplazamiento por fuerzas sísmicas o de cortocircuito.
• Conexiones flexibles de cables y conductos : Las conexiones eléctricas rígidas evitan completamente los soportes de vibración. Utilice siempre conexiones de cables flexibles o juntas de expansión en el conducto bus entre los terminales del transformador y el tablero de distribución o el panel de distribución de BT; de lo contrario, el transformador montado se acopla mecánicamente nuevamente a la estructura del edificio a través de sus conexiones eléctricas.

Ubicación de instalación y prevención estructural

La ubicación del transformador tiene un gran efecto en el ruido percibido y no cuesta nada optimizarlo en la etapa de diseño:

• Mantenga el transformador lo más lejos posible de áreas sensibles al ruido. Los niveles de presión sonora disminuyen a 6 dB cada vez que se duplica la distancia en condiciones de campo libre; duplicar el retroceso de 5 ma 10 m equivale a una reducción acústica de 6 dB en el receptor.
• Nunca instale un transformador en una esquina de una habitación o directamente contra dos paredes paralelas. Las esquinas de tres lados actúan como bocinas acústicas y pueden amplificar el sonido irradiado entre 6 y 9 dB por encima de los niveles de campo libre.
• Evite ubicar el transformador en pisos suspendidos livianos o tramos estructurales cuya frecuencia natural caiga cerca de 100 Hz; estas estructuras actúan como amplificadores resonantes para la vibración de frecuencia central.

Paso 4: Medidas acústicas pasivas

Cuando las medidas de aislamiento del nivel de la fuente y de las vibraciones son insuficientes para alcanzar el objetivo de ruido, los tratamientos acústicos pasivos son la siguiente etapa. Estos abordan la transmisión de ruido aéreo en lugar de la fuente de vibración.

Barreras Acústicas

Una barrera acústica bien colocada entre el transformador y el receptor de ruido puede desviar y atenuar parcialmente la propagación del sonido. Las barreras son más efectivas cuando interrumpen la línea de visión entre la fuente y el receptor. Se puede lograr una barrera que proporcione de 5 a 8 dB de pérdida de inserción con la geometría adecuada. Reglas clave de diseño:

• La altura de la barrera debe romper la línea de visión desde la fuente al receptor con un ángulo vertical significativo: una barrera que apenas corta la parte superior del transformador proporciona un beneficio mínimo.
• Las barreras son en gran medida ineficaces para el sonido difractado que viaja alrededor de los extremos; se deben considerar caminos flanqueantes.
• Cubra la superficie de la barrera que mira hacia el transformador con un material que absorba el sonido (lana mineral o espuma acústica) para evitar que la propia barrera se convierta en una superficie reflectante.

Cajas Acústicas

Los recintos acústicos completos proporcionan la pérdida de inserción más alta de cualquier medida pasiva (normalmente de 10 a 20 dB(A) dependiendo de la construcción), pero también son los más complejos y costosos de implementar correctamente. Dos requisitos de ingeniería que con frecuencia se subestiman:

• Ventilación : Cada metro cúbico de recinto acústico que restringe el flujo de aire corre el riesgo de sufrir una sobrecarga térmica. Las aberturas de ventilación deben tener el tamaño adecuado para mantener la capacidad de enfriamiento nominal del transformador, y el paso del aire a través del gabinete debe deflectarse acústicamente para que cada abertura de ventilación no se convierta en un cortocircuito acústico que pase por alto las paredes del gabinete.
• Sellado : Los recintos acústicos son tan eficaces como su punto más débil. Las penetraciones de cables, los huecos de las puertas y las entradas de conductos deben sellarse con sellador acústico o empaque de lana mineral; un espacio sin sellar de 1 cm en un gabinete de 20 dB puede reducir su pérdida de inserción efectiva a 10 dB o menos.

Paso 5: Control activo de ruido (solo aplicaciones especializadas)

El control activo de ruido (ANC) utiliza micrófonos y acelerómetros para capturar la firma de ruido del transformador en tiempo real y luego genera ondas acústicas antifase a través de altavoces para cancelar los componentes tonales dominantes. En principio, ANC ofrece de 6 a 12 dB de reducción en la frecuencia fundamental y sus primeros armónicos, los componentes tonales que más molestan a los residentes.

En la práctica, ANC está reservado para un conjunto limitado de circunstancias: instalaciones donde el límite de ruido es extremadamente estricto, la geometría del sitio impide soluciones efectivas de barrera o cerramiento y el presupuesto respalda el mantenimiento continuo de un sistema electrónico complejo. La ANC no sustituye a la mitigación a nivel de fuente. Un transformador que sea excesivamente ruidoso debido a laminaciones sueltas o a un núcleo de tamaño insuficiente anulará cualquier sistema ANC a través de la pura energía acústica que produce en un amplio espectro armónico.

Para la gran mayoría de instalaciones de transformadores industriales, comerciales y de servicios públicos, la combinación de ajuste mecánico, optimización del ventilador, aislamiento de vibraciones y, si es necesario, una barrera o gabinete diseñado adecuadamente logrará el cumplimiento sin ANC.

La hoja de ruta de mitigación: secuenciar sus intervenciones

La hoja de ruta a continuación integra los cinco pasos en una secuencia basada en decisiones. Trabaje en cada etapa y vuelva a realizar la prueba antes de pasar a la siguiente: la mayoría de los sitios logran el cumplimiento en el Paso 2 o 3, sin el costo y la complejidad de los gabinetes completos o ANC.

Cuando los problemas de ruido se identifican en el momento de la adquisición y no después de la instalación, la solución más rentable es casi siempre un diseño de transformador de bajo ruido. Nuestro equipo de ingeniería puede asesorar sobre la calidad del material del núcleo, la densidad de flujo, la configuración de enfriamiento y la integración del gabinete acústico para cualquier proyecto donde el cumplimiento del ruido sea una restricción de diseño. Contáctenos con el límite de ruido de su sitio y los detalles de instalación para recibir una recomendación de especificaciones acústicas personalizada.