Física del sonido
Anuncio
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA “ANALISIS DEL ORIGEN, TECNICAS DE MEDICION Y CONTROL DEL RUIDO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA” TESINA QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA: EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN: Luis Octavio Juárez Pérez José Eliseo Dorantes Villegas Poza Rica de Hidalgo, Veracruz 28 de Junio de 2013 AGRADECIMIENTOS Queremos expresar nuestro sincero agradecimiento a todos aquellos que nos ayudaron en cada etapa de preparación y elaboración de este trabajo recepcional. Agradecemos a nuestro asesor, a nuestras familias y amigos, por sus sacrificios honestos, por alentarnos, por su apoyo incondicional, toda su compresión y cooperación total durante toda nuestra formación académica. ÍNDICE GENERAL Introducción ........................................................................................................... 1 CAPITULO I Justificación ........................................................................................................... 2 Objetivo ................................................................................................................. 3 Naturaleza, sentido y alcance del trabajo............................................................... 4 Enunciación del tema............................................................................................. 5 Explicación de la estructura del trabajo .................................................................. 6 CAPITULO II Planteamiento del tema de investigación ............................................................... 7 Marco contextual ................................................................................................... 7 Marco teórico TEMA 1. FÍSICA DEL SONIDO 1.1 Características Físicas Del Sonido .................................................................. 8 1.1.1 Rapidez del sonido ............................................................................ 8 1.1.2 Presión sonora .................................................................................. 9 1.1.3 Intensidad sonora .............................................................................. 10 1.1.4 Frecuencia sonora ............................................................................. 13 1.1.5 Amplitud de onda............................................................................... 14 1.1.6 Periodo .............................................................................................. 15 1.2 Ruido ............................................................................................................... 17 1.2.1 Orígenes............................................................................................ 18 1.2.2 Efectos del Ruido sobres la salud ...................................................... 18 1.2.3 Umbral de audición ............................................................................ 18 1.3 Contaminación Acústica................................................................................... 19 1.3.1 Origen de la contaminación acústica ................................................. 19 1.3.2 Planes de solución ............................................................................ 19 1.3.3 Uso de materiales absorbentes ......................................................... 20 1.3.4 Medidas de prevención contra contaminación acústica ..................... 21 TEMA 2. TRANSFORMADORES 2.1 Definición De Transformador ........................................................................... 22 2.2 Principio De Funcionamiento ........................................................................... 23 2.3 Clasificación De Transformadores ................................................................... 25 2.4 Normalización De Transformadores En México ............................................... 34 2.4.1 NOM-J-116 ........................................................................................ 35 2.4.2 NOM-081-ECOL-1995 ....................................................................... 36 2.4.3 NOM-002-SEDE ................................................................................ 37 2.4.4 Medida Del Nivel De Ruido IEC 60076-10 ......................................... 38 2.4.5 NRF-025-CFE.................................................................................... 39 2.5 Construcción De Un Transformador ................................................................. 40 TEMA 3. RUIDO EN LOS TRANSFORMADORES 3.1 Fuentes De Ruido ............................................................................................ 42 3.1.1 Ruido del núcleo ................................................................................ 44 3.1.2 El ruido de los devanados o ruido de carga ....................................... 46 3.1.3 Ruido producido por los equipos de refrigeración .............................. 47 3.2 Normalización .................................................................................................. 48 TEMA 4. MEDICION DE RUIDOS 4.1 Método de medición de presión sonora ........................................................... 50 4.1.1 Nivel de presión sonora ..................................................................... 51 4.2 Método de medición de intensidad sonora ....................................................... 52 4.2.1 Factores que determinan la intensidad del sonido ............................. 53 4.2.2 Daños ............................................................................................... 55 4.3 Instrumentos de Medición ................................................................................ 57 4.3.1 Sonómetro ......................................................................................... 57 4.3.2 Dosímetros ........................................................................................ 61 4.3.3 Filtro de banda angosta ..................................................................... 62 4.3.4 Pantalla antiviento ............................................................................. 63 4.4 Prueba De Medición De Ruido En Los Transformadores ................................. 64 4.4.1 Instrumentos de medición .................................................................. 64 4.4.2 Condiciones de prueba ...................................................................... 64 4.4.3 Operación del transformador ............................................................. 65 4.4.4 Posiciones de micrófono .................................................................... 66 4.4.5 Nivel de potencia sonora ................................................................... 67 4.4.6 Nivel de presión sonora del ambiente ................................................ 67 TEMA 5. TÉCNICAS DE CONTROL DE RUIDO EN TRANSFORMADORES 5.1 Control de ruido industrial ................................................................................ 71 5.2 Aislamiento acústico ........................................................................................ 74 5.3 Silenciadores acústicos.................................................................................... 76 5.4 Dispositivos antivibratorios............................................................................... 78 ANALISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENES ENFOQUES ....................................... 81 CAPITULO III CONCLUCIONES .................................................................................................. 82 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 83 ANEXOS Y APENDICES ....................................................................................... 84 INTRODUCCIÓN La energía eléctrica es el energético más utilizado en el mundo. La electricidad es crucial en el desarrollo industrial de todos los países, de su desarrollo social, y elemento esencial para el desarrollo tecnológico. La electricidad juega un papel muy importante en la vida del ser humano, con la electricidad se establece una serie de comodidades que con el transcurso de los años se van haciendo indispensables para el hombre. Para generar y transportar la electricidad se requieren un conjunto de instalaciones y equipo que se utilizan para transformar otros tipos de energía en electricidad y transportarla hasta los lugares donde se consume. Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje con transformadores. De esta manera, cada parte del sistema puede funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales: La central eléctrica Los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte Las líneas de transporte Las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de distribución Las líneas de distribución Los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los consumidores. El transformador es un aparato estático, de inducción electromagnética, destinado a transformar un sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de corrientes alternas de igual frecuencia y tensión igual o regulada. En los procedimientos de trabajo que se vinculan con las operaciones donde hay una corriente eléctrica y se utilizan transformadores de potencia, exponen al trabajador a niveles de ruido que pueden producir anormalidades auditivas en forma parcial o permanente, si el nivel de ruido y el tiempo de exposición se prolongan excesivamente. Sin embargo, la mayoría de los ruidos generados por los transformadores pueden reducirse a niveles aceptables mediante un programa apropiado de controles técnicos y administrativos, basados en los métodos de normalización y técnicas de control establecidos para estos. El presente trabajo tiene como finalidad describir las normas y métodos de control de ruido para los transformadores de potencia, haciendo énfasis en la contaminación acústica que estos causan, a manera de generar el conocimiento adecuado sobre como disminuir y controlar estos. 1 CAPITULO I JUSTIFICACIÓN Los transformadores producen un ruido similar a un zumbido durante su funcionamiento, sin embargo el nivel de ruido comparado con otros aparatos no suele ser elevado. La naturaleza tonal del sonido puede resultar bastante molesta, especialmente cuando el ruido de fondo es bajo, esto resulta importante cuando se trata de estaciones transformadoras de distribución, ya que se encuentran generalmente dentro de edificios o muy próximas a la presencia de personas. Dentro de una industria un trabajador no debe estar expuesto a una gran dosis de ruido. Se define como dosis de ruido a la cantidad de energía sonora que un oído normal recibe durante un lapso de 8 horas, para que el riesgo de pérdida auditiva esté por debajo del establecido de 90 dB (en México). De ahí que surja la importancia de informar sobre las medidas de control y normalización, que se utilizan para el control de ruido en los transformadores. Las medidas de control incluyen el diseño de maquinaria silenciosa, el amortiguamiento y el aislamiento. El diseño silencioso a veces no es posible sin limitar considerablemente el propio funcionamiento a que es destinado el producto. El ruido puede ser interrumpido por paneles de aislamiento, por acción de un silenciador o por dispositivos antivibratorios. De igual forma, para poder emplear un método de control, primero debemos medir la intensidad del ruido, para ello también se utilizan técnicas de medición y equipo enfocado a ello. Con lo anterior podemos darnos una idea, de la importancia sobre la medición y control de ruido de un transformador de potencia, para atenuar sus niveles de contaminación acústica en el entorno donde estos se utilizan. 2 OBJETIVO General Describir los fenómenos de ruido en los transformadores de potencia, provocados por la naturaleza de su función, así como también los métodos de medición y regulación apegados a la normatividad vigente en México. Específicos - Conocer las características físicas del sonido como fenómeno acústico - Determinar el nivel de potencia acústica donde se ubica el ruido usando las tablas de niveles audibles de sonido. - Describir de forma general el funcionamiento, estructura y tipos transformadores, así como las normas de construcción usadas en México. - Identificar las fuentes de ruido audible en la estructura de un transformador de potencia. - Analizar los métodos de medición de ruido en los transformadores de potencia y el equipo utilizado para ello. - Examinar las técnicas, dispositivos y accesorios para el control, regulación y aminoración del ruido en los transformadores de potencia. 3 de NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Utilizando el principio de la inducción electromagnética un transformador eleva o reduce una tensión de la energía eléctrica manteniendo su potencia en condiciones ideales. En un transformador de potencia la tensión secundaria dentro de las condiciones normales de operación es prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque un poco desfasada. Su principal función es transformar la tensión y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. El devanado primario del transformador se conecta en paralelo al circuito por controlar y el secundario en paralelo con las bobinas de tensión de los aparatos de medición y protección. En los transformadores de potencia hay tres fuentes principales de ruido: ruido del núcleo (o ruido sin carga) producido principalmente por el fenómeno de magnetostricción, que es la propiedad de materiales magnéticos de deformarse al estar en un campo magnético, y aspectos constructivos (tipo de traslape en las uniones, frecuencia mecánica de resonancia del núcleo y tanque, presión de ajuste, etc.) El ruido de carga que es producido por las fuerzas electromagnéticas en los devanados y en los componentes estructurales a causa de los flujos magnéticos dispersos asociados con las corrientes de carga. El ruido producido por el funcionamiento de equipos auxiliares como los ventiladores y bombas principalmente. Existe una variedad muy amplia de fuentes de ruido y de ambientes ruidosos. De la misma forma, es posible obtener varios indicadores que caracterizan a esas fuentes y paisajes sonoros. Esta situación determina que no siempre sean los mismos objetivos los que se persiguen cuando se decide realizar mediciones de ruido. Teniendo en cuenta la existencia de varios tipos de ruido (continuo, impulsivo, aleatorio, eventual), es de suponer la existencia de variedad de sonómetros para la cuantificación de los mismos. Lo anterior define la utilización de uno u otro instrumento. Los parámetros que puedan ser analizados durante la medición, o post-medición, están en correspondencia con el equipamiento disponible y sus potencialidades. De aquí se desprende que no todos los medidores de nivel sonoro tienen idénticas posibilidades. Se diferencian en precisión, rango dinámico, fiabilidad, etc. Surgiendo, de hecho, la necesidad de elegir. Para ello será preciso tener en cuenta el uso que se le dará al equipo. Aquí entran a desempeñar su papel dos aspectos que se combinan: entorno y objetivos de las mediciones. Esto recoge si se realizarán en ambientes laborales, si para la comprobación de ruido comunitario, si para la realización de mediciones generales, si para diagnosticar el estado de máquinas, si para comprobar los efectos de un aislamiento, etc. Varios procesamientos diferentes pueden aplicarse sobre la señal. La señal puede pasar a través de una red de ponderación. Es relativamente construir un circuito electrónico. 4 Las medidas de control incluyen el diseño de maquinaria silenciosa, el amortiguamiento y el aislamiento. El diseño silencioso a veces no es posible sin limitar considerablemente el propio funcionamiento a que es destinado el producto. El ruido puede ser interrumpido por paneles de aislamiento, por acción de un silenciador o por dispositivos antivibratorios. Para paneles simples el aislamiento está controlado por la densidad superficial de masa y por la frecuencia. Para evitar las resonancias del muro, se puede intercalar material absorbente o usar paneles multicapa. Los silenciadores resistivos son dispositivos que emplean materiales absorbentes dispuestos en su interior de tal manera que permitiendo el paso de aire a lo largo del mismo, provocan una disminución de nivel sonoro en forma progresiva por fricción del aire vibrando (sonido) con el material y provocando transferencia de energía sonora en otras formas. Cuando la finalidad a conseguir sea el reducir e incluso eliminar las vibraciones de aquellos transformadores de distribución que las produzcan de forma anormal, los mejores resultados se obtienen interponiendo una suspensión elástica apropiada entre el generador de vibraciones y el suelo o firme donde descansa. De tal manera que el alcance de este trabajo estriba en explicar el uso de todo el equipo de medición de ruido y dispositivos de reducción de este, para generar un espacio con niveles y dosis de ruido dentro de la normatividad vigente. ENUNCIACIÓN DEL TEMA En las condiciones actuales de nuestro país, en el que se está acelerando el crecimiento de su población, se ha generado una exigencia en la generación de servicios, por lo cual cada día se generan nuevas industrias que satisfacen las necesidades de una población en expansión, pero debido a la naturaleza de las mismas, la generación de contaminación es un proceso casi inevitable, dentro del cual cabe señalar la contaminación acústica que estas realizan. Una gran parte de ella se deriva del uso de equipos eléctricos, por lo anterior resulta de fundamental importancia disponer de formas de reducir esta contaminación así como de un adecuado material de información, que sirva como base para facilitar el trabajo de todas las personas interesadas en el tema. El equipo eléctrico que genera más contaminación acústica es el transformador, por la naturaleza de su funcionamiento, por ello debemos conocer de forma detallada las razones físicas que generan el zumbido particular que genera al operar, en este trabajo se lleva a cabo un análisis de la estructura del transformador, la generación de ruido en ellas, como también de las técnicas de medición y control del ruido establecidos en normas nacionales. 5 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE TRABAJO Esta investigación está compuesta por 3 capítulos compuestos de la siguiente manera: En el capítulo I, se presentan la introducción, justificación, naturaleza, sentido y alcance del trabajo, enunciación el tema y la estructura del trabajo. En el capítulo II, se inició con el planteamiento del tema de la investigación realizada, posteriormente el marco contextual, que delimita el espacio donde la investigación fue realizada, y el marco teórico el cual es la descripción detallada del trabajo realizado, en el cual se describen las características del ruido, métodos de medición y control en los transformadores de potencia, y por último el análisis crítico de los diferentes enfoques. En el capítulo III, se realizan las conclusiones obtenidas, así como la bibliografía consultada y anexos. 6 CAPITULO II PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN La investigación de este tema está enfocada a un análisis dentro del ámbito técnico y de ingeniería, que busca informar y ser una guía de apoyo, ya que el análisis de un problema presente en la operación de un transformador de potencia, del cual se tiene poca información a nivel nacional, conlleva a mejoras en cuanto a operación y desempeño del mismo, reduciendo los costos de reparación y mantenimiento a corto y largo plazo. MARCO CONTEXTUAL El transformador es un equipo utilizado para elevar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico, por ello es el principal elemento en una subestación eléctrica, y se le puede encontrar tanto en áreas urbanas como industriales, pero también se utilizan en sin fin de equipos electrónicos y eléctricos, habiéndolos de distintos tipos, tamaños, formas y funciones. Al ser un equipo con diversidad de aplicaciones, tomamos en cuenta como objeto de investigación, los transformadores de potencia utilizados en México por CFE, comprendidos en las normas NRF-025-CFE y NMX-J-116-ANCE NMX-J-285-ANCE, y en específico los transformadores de potencia. Debido a la escasez de información por la falta de estudios y reportes oficiales de pruebas realizadas a equipos Mexicanos, la investigación se reforzó con datos obtenidos de pruebas realizadas en equipos Españoles y Suramericanos, pero solo fueron utilizados como referencia y no como objeto general del estudio, cuyas características son iguales a los utilizados en México, ya que los equipos extranjeros como los Mexicanos están comprendidos en la norma IEC 60076-10. 7 TEMA 1 FISICA DEL SONIDO 1.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL SONIDO 1.1.1 Rapidez del sonido La rapidez o velocidad del sonido es, la dinámica de la propagación de las ondas sonoras. La velocidad o dinámica de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión. En el aire a 0°C y 1 atm, el sonido viaja a una rapidez de 331 m/s. La rapidez del sonido está dada por la ecuación: 𝐵 𝜐= √ 𝜌 Dónde: 𝜐 = Rapidez del sonido 𝐵 = Modulo elástico del material 𝜌 = Densidad del material Ecuación 1.1 Velocidad del sonido Así entonces, para el helio, cuya densidad es mucho menor que la del aire pero cuyo modulo elástico no es muy diferente, la rapidez es aproximadamente tres veces mayor que en el aire. En líquidos y sólidos, que son mucho menos comprensibles y por tanto tienen un módulo elástico mucho mayor, la rapidez es aún más grande. La rapidez del sonido en varios materiales se da en la tabla 1-1. Los valores depende algo de la temperatura, pero esto es así principalmente en los gases. La velocidad del sonido en el aire se eleva en 0,60 m/s por cada °C de elevación de temperatura. TABLA 1-1 Rapidez del sonido en varios materiales, a 20°C y 1atm MATERIAL Aire Aire (0°C) Helio Hidrogeno Agua Agua de mar Hierro y acero Vidrio Aluminio Madera dura RAPIDEZ (m/s) 343 331 1005 1300 1440 1560 ≈ 5000 ≈ 4500 ≈ 5100 ≈ 4000 8 1.1.2 Presión sonora La presión sonora o acústica es producto de la propia propagación del sonido. La energía provocada por las ondas sonoras genera un movimiento ondulatorio de las partículas del aire, provocando la variación alterna en la presión estática del aire (pequeñas variaciones en la presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre). Fig.1.1 Vector de propagación de sonido En consecuencia de estas variaciones de presión atmosférica se producen áreas donde se concentran estas partículas (zonas de concentración) y otras áreas quedan menos saturadas (zonas de rarefacción). Las zonas con mayor concentración de moléculas tienen mayor densidad y las zonas de menor concentración tienen menor densidad. Cuando estas ondas se encuentran en su camino con el oído la presión que ejercen sobre el mismo no es igual para toda la longitud de onda. La presión acústica se define como la diferencia de presión instantánea y la presión atmosférica estática. La presión atmosférica se mide en pascales (Pa). En el SI (Sistema Internacional) un pascal (1 Pa) es igual a una fuerza de un newton (1 N) actuando sobre una superficie de un metro cuadrado (1 m2). La presión atmosférica se sitúa en torno a los 100.000 Pa (estableciéndose como valor normalizado los 101.325 Pa). Como en pascales las cifras obtenidas son muy grandes, normalmente, la presión atmosférica, se expresa en hectopascales hPa (igual dimensión que los milibares, que quedan en desuso) y se establecen 1.013,25 hPa como presión atmosférica normalizada a nivel del mar. La presión sonora también se puede medir en pascales, no obstante, su valor es muy inferior al de la atmosférica. El umbral de dolor se sitúa en los 20 Pa,[1] mientras que el umbral de audición se sitúa en los 20 micro pascales (20 μPa). 9 La presión sonora es la responsable directa de la amplitud de la onda y la amplitud determinara la cantidad de energía (potencia acústica) que contiene una señal sonora. Fig. 1.2 Onda senoidal de la presión 1.1.3 Intensidad sonora En física se define la intensidad del sonido en función de la energía transportada por la onda sonora. La fuente vibrante transmite movimiento o energía cinética a las partículas próximas a ella y que la onda es el flujo de esta energía. La fuente vibrante realiza trabajo sobre el aire que la rodea, y este trabajo parece como la energía de la onda sonora. La intensidad de la onda sonora se define como la energía por segundo transportada a travez de un área-unidad perpendicular al cuadrado al flujo de energía y, proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda. Utiliza unidades de potencia por área unitaria (watts/metro2). El odio humano puede detectar sonidos con una intensidad tan baja como 10-12 W/m2 y tan alta como 1 W/m2. Para producir un sonido que parece el doble de alto que otro, se requiere una onda sonora que tiene cerca de diez veces de intensidad. Debido a esta relación, es usual especificar los niveles de intensidad en una escala logarítmica. La unidad sobre esta escala en un bel, o más comúnmente conocido como decibel (dB) que se define como la unidad relativa empleada en acústica, electricidad, telecomunicaciones y otras especialidades para expresar la relación entre dos magnitudes: la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia. Con mayor frecuencia se emplea para relacionar magnitudes acústicas, pero también es frecuente encontrar medidas en decibelios de otras magnitudes, por ejemplo las eléctricas o las lumínicas. En la medida de diversas magnitudes se emplea a menudo como magnitud de referencia un valor convenido muy bajo, por ejemplo el umbral mínimo de percepción del 10 sonido en el ser humano (20 micro pascales), pero no por ello dejan de ser relativas todas las medidas expresadas en decibelios, aunque el que no se explicite normalmente el valor de referencia le dé apariencia absoluta. El decibelio es una unidad logarítmica, adimensional y matemáticamente escalar. Es la décima parte de un belio (símbolo B3), que es el logaritmo de la relación entre la magnitud de interés y la de referencia, pero no se utiliza por ser demasiado grande en la práctica, y por eso se utiliza el decibelio. El belio recibió este nombre en honor de Alexander Graham Bell. Un belio equivale a 10 decibelios y representa un aumento de potencia de 10 veces sobre la magnitud de referencia. Cero belios es el valor de la magnitud de referencia. Así, dos belios representan un aumento de cien veces en la potencia, tres belios equivalen a un aumento de mil veces y así sucesivamente. Dicho de otra manera, un lavavajillas que emite un ruido de 50 dB NO es algo más ruidosa, es 10 veces más ruidosa que uno que emita 40 dB y 100 veces más que una de 30 dB. Para el cálculo de la sensación recibida por un oyente, a partir de las unidades físicas, mensurables, de una fuente sonora, se define el nivel de potencia, LW, (en decibelios) y para ello se relaciona la potencia de la fuente del sonido a estudiar con la potencia de otra fuente cuyo sonido esté en el umbral de audición, por la fórmula siguiente: (dB) Ecuación 1.2 Nivel de potencia sonora En donde W 1 es la potencia a estudiar, y W 0 es la potencia umbral de audición, que expresada en unidades del SI, equivale a vatios. Las ondas de sonido producen un aumento de presión en el aire, luego otra manera de medir físicamente el sonido es en unidades de presión (pascales). Y puede definirse el Nivel de presión, LP, que también se mide en decibelios. (dB) Ecuación 1.3 Nivel de presión sonora En donde P1 es la presión del sonido a estudiar, y P0 es la presión umbral de audición, que expresada en unidades del SI, equivale a Pa. El decibelio es quizá la unidad más utilizada en el campo de las telecomunicaciones por la simplificación que su naturaleza logarítmica posibilita a la hora de efectuar cálculos con valores de potencia de la señal muy pequeños. 11 Como relación de potencias que es, la cifra en decibelios no indica nunca el valor absoluto de las dos potencias comparadas, sino la relación entre ellas. Esto permite, por ejemplo, expresar en decibelios la ganancia de un amplificador o la pérdida de un atenuador sin necesidad de referirse a la potencia de entrada que, en cada momento, se les esté aplicando. La pérdida o ganancia de un dispositivo, expresada en decibelios viene dada por la fórmula: Ecuación. 1.4 Perdidas de potencia En donde PE es la potencia de la señal en la entrada del dispositivo, y PS la potencia a la salida del mismo. Si hay ganancia de señal (amplificación) la cifra en decibelios será positiva, mientras que si hay pérdida (atenuación) será negativa. En Telecomunicación muchas veces se utiliza como nivel de referencia la mili vatio, obteniéndose los resultados en dB referidos a 1 mW, esto es en dBm. Para sumar ruidos, o señales en general, es muy importante considerar que no es correcto sumar directamente valores de las fuentes de ruido expresados en decibelios. Así, dos fuentes de ruido de 21dB no dan 42dB sino 24dB. En este caso se emplea la fórmula: Ecuación 1.5 Suma de pérdidas o ganancias Donde Xn son los valores de ruido o señal, expresados en decibelios, a sumar. Ecuación 1.6 Segunda ecuación de sumas o perdidas de potencia. 12 Tabla 1.2 Nivel de intensidad del sonido.1 200 dB Bomba atómica similar a Hiroshima y Nagasaki 180 dB Explosión del Volcán Krakatoa. Cohete en despegue 140 dB Umbral del dolor 130 dB Avión en despegue 120 dB Motor de avión en marcha 110 dB Concierto / acto cívico 100 dB Perforadora eléctrica 90 dB Tráfico / Pelea de dos personas 80 dB Tren 70 dB Aspiradora 50/60 dB Aglomeración de gente / Lavaplatos 40 dB Conversación 20 dB Biblioteca 10 dB Respiración tranquila 0 dB Umbral de audición 1.1.4 Frecuencia sonora La frecuencia del sonido hace referencia a la cantidad de veces que vibra el aire que transmite ese sonido en un segundo. La unidad de medida de la frecuencia son los Hertzios (Hz). La medición de la onda puede comenzarse en cualquier punto de la misma. Para que el ser humano pueda oír un determinado sonido su frecuencia debe estar comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz. Fig.1.4 Ultrasonidos e infrasonidos. 13 Las vibraciones de aire que oscilan un número de veces superior a 20.000 Hz se denominan ultrasonidos. Los ultrasonidos son perceptibles por algunas especies animales como los murciélagos o los delfines. También son utilizados con fines médicos en distintas terapias curativas, tratamientos o sistemas de diagnóstico. Los infrasonidos, en cambio, son aquellos cuya frecuencia sonora está por debajo de los 20 Hz. Este tipo de frecuencia es audible para especies como elefantes, tigres o ballenas. Fig.1.5 Tonos graves, agudos y medios La frecuencia del sonido está relacionada con la altura de la oscilación de la onda sonora. La altura del sonido es perceptible sólo si la frecuencia de su oscilación es la misma en un intervalo de tiempo mínimo. Los sonidos agudos tienen una altura más elevada y mayor frecuencia que los sonidos graves. La frecuencia del sonido de los tonos agudos oscila entre los 2000 y los 4000 Hz mientras los graves van desde los 125 a los 250 Hz. Los tonos medios tienen una frecuencia de oscilación entre 500 a 1000 Hz. 1.1.5 Amplitud de onda En acústica la amplitud normalmente se mide en decibelios SPL ( ): Los decibelios representan la relación entre dos señales y se basa en un logaritmo de base 10 del cociente entre dos amplitudes sonoras o presiones. Las siglas SPL hacen referencia a la presión sonora (Sound Pressure Level). Si una onda sonora que ocasiona una sobrepresión máxima punto del espacio, su amplitud medida en decibelios SPL es: a su paso por un 14 Donde es la presión sonora de referencia. Ecuación 1.7 Amplitud de onda Fig.1.6 Amplitud de onda Atenuación del sonido Las ondas van "debilitándose en amplitud" conforme van alejándose de su punto de origen: es lo que se conoce como atenuación de la onda. Aunque la amplitud de las ondas decrece, su longitud y su frecuencia permanecen invariables, ya que éstas dependen sólo del foco emisor. La disminución de amplitud de una onda sonora se debe a dos razones: La ampliación del frente de onda, que da lugar a una disminución de la amplitud viene cuantificada por la Ley cuadrática inversa. La absorción de la vibración, que es un proceso disipativo por el cual parte de la potencia sonora es absorbida por algún material que sea un aislante acústico. 1.1.6 Periodo El período de una oscilación u onda (T) es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda. Es el mínimo lapso que separa dos instantes en los que el sistema se encuentra exactamente en el mismo estado: mismas posiciones, mismas 15 velocidades, mismas amplitudes. Así, el periodo de oscilación de una onda es el tiempo empleado por la misma en completar una longitud de onda. En términos breves es el tiempo que dura un ciclo de la onda en volver a comenzar. Por ejemplo, en una onda, el periodo es el tiempo transcurrido entre dos crestas o valles sucesivos. 𝑇= 1 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 Ecuación 1.8 Ecuación del tiempo de duración de una onda Como el periodo siempre es inverso a la frecuencia, la longitud de onda también está relacionada con el periodo, mediante la fórmula de la velocidad de propagación. En este caso la velocidad de propagación será el cociente entre la longitud de onda y el período. 16 1.2. RUIDO Ruido es la sensación auditiva inarticulada generalmente desagradable. En el medio ambiente, se define como todo lo molesto para el oído. En el ámbito de la comunicación sonora, se define como ruido todo sonido no deseado que interfiere en la comunicación entre las personas o en sus actividades. Cuando se utiliza la expresión ruido como sinónimo de contaminación acústica, se está haciendo referencia a un ruido (sonido), con una intensidad alta (o una suma de intensidades), que puede resultar incluso perjudicial para la salud humana. Contra el ruido excesivo se usan tapones para los oídos y orejeras (cascos para las orejas, los cuales contienen una electrónica que disminuye los de los ruidos exteriores, disminuyéndolos o haciendo que su audición sea más agradable), para así evitar la pérdida de audición (que, si no se controla, puede provocar la sordera). También, de una forma general el ruido se asocia con la idea de un sonido molesto, bien por su incoherencia, por su volumen o por ambas cosas a la vez. Fig.1.7 Ondas de frecuencia de ruido. 17 1.2.1 Orígenes Los orígenes del ruido son múltiples, pudiendo citarse como más importantes los siguientes: La agitación térmica producida en las moléculas del material que forma los conductores y, sobre todo, en las resistencias, por el choque con los electrones en movimiento. 1.2.2 Efectos del ruido sobre la salud Enfermedades fisiológicas: Se pueden producir en el trabajo o ambientes sonoros en torno a los 100 decibelios, algunas tan importantes como la pérdida parcial o total de la audición. Enfermedades psíquicas: Producidas por exceso de ruido, se pueden citar el estrés, las alteraciones del sueño, disminución de la atención, depresión, falta de rendimiento o agresividad. Enfermedades sociológicas: Alteraciones en la comunicación, el rendimiento, etc. El estudio del ruido, la vibración y la severidad en un sistema se denomina NVH. Estos estudios van orientados a medir y modificar los parámetros que le dan nombre y que se dan en vehículos a motor, de forma más detallada, en coches y camiones. 1.2.3 Umbral de audición El oído tiene la sensibilidad máxima para las frecuencias comprendidas entre 2000 y 3000 ciclos/segundo, para las cuales el umbral de audición, es aproximadamente de 5dB. Para intensidades superiores, se les conoces como umbral de la sensación desagradable, la sensación deja de ser una audición para convertirse en una sensación incomoda a aun dolorosa. Los ruidos son también sonidos simples o complejos pero disarmónicos y de muy alta intensidad, generando intolerancia o dolor al oído y una sensación de displacer al individuo. Los entornos con más de 65 decibelios (dB) se consideran inaceptables. Por debajo 80 dB el oído humano no presenta alteraciones definitivas. Estos niveles generan molestias pasajeras denominadas fatiga auditiva, donde los elementos transductores (oído interno) no sufren problemas definitivos. Cuando la intensidad supera los 90 dB comienzan a aparecer lesiones irreversibles tanto mayor cuanto mayor sea la exposición y la susceptibilidad personal. 18 1.3 CONTAMINACIÓN ACÚSTICA Se llama contaminación acústica (o contaminación auditiva) al exceso de sonido que altera las condiciones normales del ambiente en una determinada zona. Si bien el ruido no se acumula, traslada o mantiene en el tiempo como las otras contaminaciones, también puede causar grandes daños en la calidad de vida de las personas si no se controla bien o adecuadamente. El término "contaminación acústica" hace referencia al ruido (entendido como sonido excesivo y molesto), provocado por las actividades humanas (tráfico, industrias, locales de ocio, aviones, etc.), que produce efectos negativos sobre la salud auditiva, física y mental de las personas. Este término está estrechamente relacionado con el ruido debido a que esta se da cuando el ruido es considerado como un contaminante, es decir, un sonido molesto que puede producir efectos nocivos fisiológicos y psicológicos para una persona o grupo de personas. 1.3.1 Origen de la contaminación acústica Las principales causas de la contaminación acústica son aquellas relacionadas con las actividades humanas como el transporte, la construcción de edificios y obras públicas, las industrias, entre otras. Se ha dicho por organismos internacionales, que se corre el riesgo de una disminución importante en la capacidad auditiva, así como la posibilidad de trastornos que van desde lo psicológico (paranoia, perversión) hasta lo fisiológico por la excesiva exposición a la contaminación sónica. La contaminación acústica, además de afectar al oído puede provocar efectos psicológicos negativos y otros efectos fisiopatológicos. Por supuesto, el ruido y sus efectos negativos no auditivos sobre el comportamiento y la salud mental y física dependen de las características personales, al parecer el estrés generado por el ruido se modula en función de cada individuo y de cada situación 1.3.2 Planes de solución Con el fin de erradicar y atenuar un poco los efectos del exceso de ruido en las diferentes partes del planeta, muchos especialistas en el tema han planteado algunos métodos para éstos: en algunos casos se habla de la elaboración de un mapa acústico, en el cual se encierran medidas y análisis de los diferentes niveles sonoros de diversos puntos de la ciudad, haciendo énfasis en el sonido provocado por el tráfico sin olvidar otro tipo de emisores de ruido. 19 La protección auditiva personalizada, constituye uno de los métodos más eficientes y a la vez económicos. Se trata de los denominados tapones auditivos (o conchas acústicas), que tienen la capacidad de reducir el ruido en casi 20 dB, lo cual permite que la persona que los usa pueda ubicarse en ambientes muy ruidosos sin ningún problema. Muy usado por los operarios y demás trabajadores de algunas industrias ruidosas. 1.3.3 Uso de materiales absorbentes Su utilización consiste en ubicarlos en lugares estratégicos, de forma que puedan cumplir con su función eliminando aquellos componentes de ruido que no deseamos escuchar. Entre los materiales que se usan tenemos: resonadores fibrosos, porosos o reactivos, fibra de vidrio y poliuretano de célula. La función principal de estos materiales es la de atrapar ondas sonoras y posteriormente transformar la energía aerodinámica en energía termodinámica o calor. A la hora de seccionar el material adecuado, de acuerdo a la aplicación requerida, debe tenerse en cuenta el coeficiente de absorción sonora del material, la cual es un dato que debe brindar el fabricante. Barreras acústicas. Su función principal es la de evitar la transmisión de ruido de un lado a otro de su cuerpo físico. Su mayor utilidad se encuentra en áreas con un alto nivel de ruido. Su desempeño se basa en la eliminación de propagación de ondas y contaminación sonora de áreas contiguas de producción. En este caso, la selección de una barrera acústica determinada se basa en el coeficiente de transmisión de sonido, traducido en la cantidad de potencia sonora que la barrera puede contener. Una barrera acústica es una especie de cortina transparente de vinil o poliuretano de célula abierta. También se usan paneles metálicos con altos índices de absorción. Aislamientos. Los aislamientos se hacen en secciones industriales ruidosas. Su función básica es la de disipar la energía mecánica asociada con las vibraciones. Su foco de acción se concentra en zonas rígidas de la maquinaria en cuestión, los cuales son los puntos donde se generan vibraciones y donde se promueven el colapso de ondas sonoras. En la actualidad, muchos fabricantes de maquinaria ruidosa desde secadores hasta refrigeradores, han adoptado medidas de este tipo, conscientes del gran perjuicio que puede causar a la salud humana. Casetas sono-amortiguadas. Pese a su gran capacidad de controlar niveles muy altos de ruido por medio del aislamiento de la fuente emisora del mismo, del resto de la fuerza laboral, son poco utilizadas en la industria. Estas casetas permiten que maquinarias Industriales emisoras de un alto nivel de ruido desempeñen su función bajo niveles de ruido tolerables. 20 1.3.4 Medidas de prevención contra la contaminación acústica. La reducción del ruido se debe llevar a cabo siguiendo la siguiente secuencia de medidas a tomar, ordenadas de mayor a menor eficacia y de un aspecto colectivo a uno individual: 123456- Eliminar las fuentes molestas que producen el ruido. Control de producción del ruido (en el origen). Llevar a cabo la reducción a través de medidas en el entorno. Aplicar medidas de tipo individual. Utilización de maquinarias silenciosas para trabajos en la vía publica Aislamiento acústico adecuado y obligatorio en comercios con actividades ruidosas (discotecas, bares, pubs, etc.) En todo caso, lo realmente importante, de cara al futuro para minimizar y controlar la contaminación acústica, es incluir los criterios acústicos dentro del diseño de los diferentes proyectos que puedan generar contaminación. 21 TEMA 2 TRANSFORMADORES 2.1 DEFINICION DE TRANSFORMADOR Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Fig.2.1 Transformador 22 2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Con objeto de incrementar el acoplamiento entre las bobinas, éstas se devanan sobre un núcleo común. Si el núcleo está hecho de un material no magnético, se dice que se trata de un transformador con núcleo de aire. Cuando el núcleo está constituido por un material ferromagnético con permeabilidad relativamente alta, se trata de un transformador con núcleo de hierro. Un núcleo magnético sumamente permeable asegura que: a) Casi todo el flujo que crea una de las bobinas se enlaza con la otra b) La reluctancia de la trayectoria magnética se baja Esto da como resultado una eficiencia de operación máxima del transformador. En su forma más simple, un transformador consta de dos bobinas eléctricamente aisladas una de otra pero devanadas sobre el mismo núcleo magnético. Una corriente variable en el tiempo en una bobina establece en el núcleo magnético un flujo también variable en el tiempo. Debido a la elevada permeabilidad del núcleo, la mayor parte del flujo se enlaza con la otra bobina e induce en ella una FEM variable en el tiempo (voltaje). La frecuencia de la fem inducida en la otra bobina es la misma que la de la corriente en la primera bobina. Si se conecta la otra bobina a una carga, la fem inducida en la bobina establece en ella una corriente. Así, la energía se transfiere de una bobina a otra por medio del flujo magnético en el núcleo. La bobina a la que la fuente suminístrala fuerza se llama devanado primario. La bobina que envía fuerza a la carga se denomina devanado secundario. Cualquiera de las devanados puede conectarse a la fuente o a la carga. Como la fem inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas que tiene, es posible que haya un voltaje más elevado a través del devanado secundario que el aplicado al primario. En tal caso se habla de un transformador elevador, el cual se usa para conectar una línea de transmisión de voltaje relativamente alto a un generador de voltaje relativamente bajo. En el caso opuesto, un transformador reductor tiene un voltaje más bajo en el lado secundario. Un ejemplo de un transformador reductor es uno para soldadura, cuyo devanado secundario esta diseñado para suministrar una corriente elevada a la carga. Cuando el voltaje que se aplica al primario es igual a la fem inducida en el secundario, se dice que el transformador tiene una razón uno a uno. Un transformador con razón uno a uno se emplea básicamente para aislar en forma eléctrica el lado secundario del primario, un transformador semejante recibe el nombre de transformador de aislamiento y se utiliza para aislar corriente continua (CC). Es decir, si el voltaje de entrada en el lado primario contra de ambas componente de corriente, corriente continua (CC) y corriente alterna (CA), el voltaje en el lado secundario tendrá naturaleza de CA pura. 23 Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario. Fig. 2.2 Relación de transformación. Donde Np es el número de vueltas del devanado del primario, Ns el número de vueltas del secundario, Vp la tensión aplicada en el primario, Vs la obtenida en el secundario, Is la intensidad que llega al primario, Ip la generada por el secundario y 𝓇 t la relación de transformación. Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético. La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica. Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un "do&break" mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías. Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces. 24 En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”. En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios. En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico. El nacimiento del primer transformador Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía Ganz crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores: Donde: (Vs) es la tensión en el secundario y (Ns) es el número de espiras en el secundario, (Vp) y (Np) se corresponden al primario. Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra que había sido acuñada por Bláthy Ottó. En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886. La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. 25 2.3 CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES Según sus aplicaciones Son empleados por empresas de generación eléctrica en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. La mayoría de los dispositivos electrónicos en hogares hacen uso de transformadores reductores conectados a un circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de tensión de corriente directa que necesitan. Este es el caso de las fuentes de poder de equipos de audio, video y computación. Fig. 2.3 Relación de tamaños de bobinas en transformador reductor y elevador respectivamente Transformadores variables También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de dos valores. Transformador de aislamiento Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1 entre las tensiones del primario y secundario. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red y también para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electromedicina y donde se necesitan tensiones flotantes. Transformador de alimentación Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su 26 circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador. Transformador de alimentación Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían. Fig. 2.4 conexiones trifásicas para transformadores Transformador de pulsos Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos. Su principal aplicación es transferir impulsos de mando sobre elementos de control de potencia como SCR, triacs, etc. logrando un aislamiento galvánico entre las etapas de mando y potencia. 27 Transformador de línea o Flyback Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios. Fig. 2.5 Transformador flyback Transformador diferencial de variación lineal El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos. 28 Transformador con diodo dividido Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicado. Transformador de impedancia Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces. Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n². Fig. 2.6 Transformador elevador de impedancia Estabilizador de tensión Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética. 29 Fig. 2.7 Transformador de tensión Transformador híbrido o bobina híbrida Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc. Balun Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador. Fig. 2.8 transformador balun para electrónica 30 Transformador electrónico Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados fuente conmutada. Transformador de frecuencia variable Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control. Transformadores de medida Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés. Según su construcción Autotransformador El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario. Fig. 2.9 autotransformador monofásico 31 Transformador con núcleo toroidal El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault. Fig. 2.10 Transformador toroidal Transformador de grano orientado El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas. Transformador de núcleo de aire En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia. Transformador de núcleo envolvente Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión. Transformador piezoeléctrico Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar las lámparas fluorescentes de los monitores de LED y TFT usados en computación y en televisión. 32 Fig. 2.11 Transformador piezoeléctrico 33 2.4 NORMALIZACIÓN DE TRANSFORMADORES EN MEXICO Como los transformadores de la red de distribución eléctrica cuentan con una carga energética constante, deben existir eficiencias mínimas, establecidas a través de normas. Las normas mexicanas de transformadores definen las reglas mínimas de construcción y pruebas de aceptación para asegurar el correcto funcionamiento de acuerdo a la red eléctrica de distribución. Un transformador que no se diseña y prueba de acuerdo con estas normas resulta menos confiable, tiene una vida más corta y crea pérdidas económicas a las empresas de energía. A fin de explicar el impacto técnico de las eficiencias establecidas en las normas, se revisarán los criterios de diseño de un transformador de distribución. No especificar las eficiencias mínimas recomendadas por las normas, que resulta en equipos de menor costo y desempeño, es un ahorro mal entendido, pues representa un mayor costo de operación para el usuario final o para la compañía de energía. Además de las implicaciones en costo de operación, la baja eficiencia conlleva calentamiento anormal del equipo cuando se exige de éste cargas del orden de la nominal. El calentamiento anormal introduce riesgos de fallas térmicas, derrame de aceite, ruido excesivo y baja resistencia al corto circuito. Si bien la legislación exige el cumplimiento de las normas para la adquisición de los equipos, una verificación de las especificaciones y protocolos de prueba aseguraría la eficiencia de los equipos en operación. Antecedentes de normalización de eficiencias Año Normas Observaciones Normas oficiales mexicanas (mandatorias), de tipo poste y tipo pedestal, de la Secretaría de Comercio 1989 NOM-J-116 NOM-J-285 y Fomento Industrial (Secofi), introducen niveles de eficiencia mínima en México Estas normas sustituyen en las NOM-J, perteneciente a la Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico (ANCE) como normas mexicanas (NMX) de NMX-J-116-ANCE NMX-Japlicación voluntaria; se introducen nuevas tablas 1996 285-ANCE de eficiencia mínima mayores a las de las NOM-J. Por ser tipo NMX, estas normas no son mandatorias para importadores, fabricantes chicos y extranjeros, quienes no están sometidos a la inspección de CFE/LAPEM 1994 NOM-081-ECOL-1994 Esta norma oficial mexicana establece los límites 34 1999 NOM-002-SEDE 2004 NMX-J-169-ANCE-2004 2005 IEC 60076-10 2005 NRF-025-CFE 2005 NMX-J-116-ANCE NMX-J285-ANCE máximos permisibles de emisión de ruido que genera el funcionamiento de las fuentes fijas y el método de medición por el cual se determina su nivel emitido hacia el ambiente. Se emite la Norma oficial mexicana de requisitos de seguridad y eficiencia energética en transformadores de distribución. Aplicación mandatoria a todos los transformadores nuevos. Incluye mismas tablas de eficiencias contenidas en las NMX-J-116-ANCE y NMX-J-285-ANCE Esta norma Mexica tiene por objeto establecer las pruebas y métodos de prueba para transformadores y autotransformadores de distribución y potencia. Describe las fuentes y características de transformador y el sonido del reactor. Se da detalles prácticos relativos a las mediciones, y se discuten los factores que pueden influir en la precisión de los métodos. Normas de referencia de CFE para transformadores tipo poste. Sustituye a Esp. K0000-01. Incluye requerimientos de construcción específicos. Hace referencia a NMX-J-116-ANCE y a NOM-002-SEDE Actualización de estas normas, pero no se modifican las tablas de eficiencia de la NOM-002SEDE 2.4.1 NOM-J-116 Esta norma fue emitida por la Asociación de normalización y certificación, A. C., “ANCE” y aprobada por el Comité de Normalización de la ANCE, “CONANCE”, y por el Consejo, y por el consejo Directivo de ANCE el 12 de mayo del 2005. Establece los requisitos que deben cumplir los transformadores de distribución tipo poste y tipo subestación, sumergidos en líquido aislante y autoenfriados. Esta Norma Mexicana también se aplica a los autotransformadores incluidos en los límites de capacidad y tensión, pero considerando su capacidad equivalente como transformador. Concordancia con normas internacionales Esta Norma no es equivalente a la Norma Internacional IEC 60076-1 (2000-04), debido a que únicamente establece las especificaciones que se tiene la experiencia, confianza e infraestructura para los transformadores de distribución tipo poste y tipo subestación, sumergidos en líquido aislante y autoenfriados. 35 Campo de aplicación Así también establece las especificaciones y métodos de prueba para capacitores de potencia en conexión paralelo. Esta Norma Mexicana se aplica a capacitores conectados en paralelo, en sistemas eléctricos de trasmisión y distribución, así como en redes eléctricas industriales, comerciales y domésticas, operadas a 60 Hz. 2.4.2 NOM-081-ECOL-1995 Que la emisión de ruido proveniente de las fuentes fijas altera el bienestar del ser humano y el daño que le produce, con motivo de la exposición, depende de la magnitud y del número, por unidad de tiempo, de los desplazamientos temporales del umbral de audición. Por ello, resulta necesario establecer los límites máximos permisibles de emisión de este contaminante. Objeto Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido que genera el funcionamiento de las fuentes fijas y el método de medición por el cual se determina su nivel emitido hacia el ambiente. Campo de aplicación Esta norma oficial mexicana se aplica en la pequeña, mediana y gran industria, comercios establecidos, servicios públicos o privados y actividades en la vía pública. Referencias NMX-AA-40 Clasificación de ruidos. NMX-AA-43 Determinación del nivel sonoro emitido por fuentes fijas. NMX-AA-59 Sonómetros de precisión. NMX-AA-62 Determinación de los niveles de ruido ambiental. Debe calcularse el nivel sonoro equivalente del período de observación medido por medio de la fórmula: 36 2.4.3 NOM-002-SEDE Objetivo Esta Norma Oficial Mexicana establece los requisitos mínimos de seguridad y eficiencia energética que deben cumplir los transformadores de distribución, además establece los métodos de prueba que deben utilizarse para evaluar estos requisitos. Campo de aplicación Esta Norma aplica a los transformadores de distribución de fabricación nacional e importados, tipo: poste, subestación, pedestal y sumergible (de acuerdo con las definiciones establecidas en el capítulo 3 de esta Norma), autoenfriados en líquido aislante, destinados al consumidor final, cuando sean comercializados en los Estados Unidos Mexicanos. Asimismo, la presente Norma aplica cuando el transformador de distribución sea objeto de reparación, reconstrucción o reinstalación. Referencias Para la correcta aplicación de esta Norma Oficial Mexicana se deben consultar las siguientes Normas Oficiales Mexicanas (NOM) y Normas Mexicanas (NMX) vigentes: 1. NOM-008-SCFI-2002 Sistema general de unidades de medida. 2. NOM-024-SCFI-1998 Información comercial para empaques, instructivos y garantías de los productos electrónicos, eléctricos y electrodomésticos. 3. NMX-J-116-ANCE-2005 Transformadores de distribución tipo poste y tipo subestación-Especificaciones. Referencia parcial. (Los numerales aplicables son: 5.7.7 relativo a "Placa de datos"; 5.7.8 relativo a "Marcado externo del transformador" y 5.8 relativo a "Especificaciones de cortocircuito"). 4. NMX-J-169-ANCE-2004 Transformadores y autotransformadores de distribución y potencia-Métodos de prueba. Referencia parcial. (Los capítulos aplicables son: 7 relativo a "Pérdidas en vacío y corriente de excitación"; 8 relativo a "Pérdidas debidas a la carga e impedancia"; 11 relativo a "Prueba de hermeticidad" y 17 relativo a "Pruebas de cortocircuito"). 37 2.4.4 MEDIDA DEL NIVEL DE RUIDO IEC 60076-10 Esta parte de IEC 60076 proporciona información de apoyo para ayudar a los fabricantes y los compradores se aplican las técnicas que se describen en la norma IEC 60076-10. Se describen las fuentes y características de transformador y el sonido del reactor. Se da detalles prácticos relativos a las mediciones, y se discuten los factores que pueden influir en la precisión de los métodos. La IEC 60076 consta de las siguientes partes, bajo el título Los transformadores de potencia en general: Parte 1: Generalidades Parte 2: Aumento de la temperatura Parte 3: Niveles de aislamiento, ensayos dieléctricos y autorizaciones externos en el aire Parte 4: Guía para el impulso de rayo y pruebas de impulso de conmutación - Los transformadores de potencia y reactores Parte 5: Aptitud para soportar cortocircuitos Parte 6: Reactores (en estudio) Parte 7: Carga de guía para los transformadores en baño de aceite Parte 8: Guía de aplicación Parte 10: Determinación de los niveles de ruido Parte 10-1: Determinación de los niveles de sonido - Guía de aplicación Parte 11: transformadores de tipo seco Parte 12: Guía de carga para transformadores de potencia de tipo seco (en estudio) Parte 13: transformadores que contengan líquido autoprotegida Parte 14: Diseño y aplicación de los transformadores sumergidos en líquido con materiales de alta temperatura de aislamiento Parte 15: transformadores de potencia de tipo lleno de gas (en estudio). 38 2.4.5 NRF-025-CFE Objetivo Establecer los requerimientos funcionales adicionales, que deben cumplir los transformadores de distribución tipo poste que adquiere la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Campo de aplicación Aplica a transformadores autoenfriados en aceite, tanque sellado, trifásicos, monofásicos y monofásicos autoprotegidos. Se incluyen los de tipo costa. Referencias Para la correcta utilización de esta norma de referencia, es necesario aplicar las siguientes normas o las que las substituyan: 1. NOM-002-SEDE-1999 Requisitos de Seguridad y Eficiencia Energética para Transformadores de Distribución. 2. NOM-008-SCFI-2002 Sistema General de Unidades de Medida. 3. NMX-J-116-ANCE-2005 Transformadores TipoSubestación - Especificaciones. de Distribución Tipo Poste y 4. NMX-J-123-ANCE-2008 Aceites Minerales Aislantes para Transformadores – Especificaciones, Muestreo y Métodos de Prueba. 5. NMX-J-169-ANCE-2004 Transformadores y Autotransformadores de Distribución yPotencia - Métodos de Prueba. 6. NMX-J-234-ANCE-2001 Aisladores - Boquillas de Porcelana de Alta y Baja Tensiónpara Equipo de Distribución, Servicio Exterior e Interior -Especificaciones. 7. NMX-J-409-ANCE-2003 Transformadores - Guía de Carga de Transformadores de Distribución y Potencia Sumergidos en Aceite. 8. NMX-J-561-ANCE-2004 Pruebas de Contaminación Artificial en Aisladores para AltaTensión Utilizados en Sistemas de Corriente Alterna. 9. NRF-002-CFE-2000 Manuales Técnicos. 10. NRF-008-CFE-2000 Boquillas de Porcelana para Equipo de Distribución conTensiones de Operación de 38 kV y Menores 39 2.5 CONSTRUCCIÓN DE UN TRANSFORMADOR. A fin de mantener al mínimo la perdida en el núcleo, este se construye con laminaciones delgadas de material ferromagnético sumamente permeable, como la lámina de acero al silicio. Se usa acero al silicio por sus propiedades de no envejecimiento de pérdidas magnéticas bajas. El espesor de la laminación va de 0.014 a 0.024 pulgadas. En ambas caras de la laminación se aplica un recubrimiento delgado de barniz aislante para proporcionar una resistencia alta entre las laminaciones. El proceso de cortar las laminaciones al tamaño adecuado ocasiona esfuerzos por troquelado y corte. Estos esfuerzos causan un aumento en la pérdida del núcleo. A fin de eliminar los esfuerzos por troquelado y corte, las laminaciones se sujetan durante cierto tiempo a temperaturas elevadas en un ambiente controlado. Esto se conoce como proceso de revenido. Básicamente, hay dos tipos de construcción de transformadores: de tipo acorazado o concha y de tipo núcleo. En la construcción del transformador de tipo acorazado, los dos devanados suelen efectuarse en la misma rama del núcleo magnético. En un transformador de tipo núcleo cada devanado puede incluso dividirse y devanarse en ambas ramas del núcleo rectangular. Los nombres tipo acorazado y tipo núcleo se deben a que en el primero el transformador encierra a los devanados, mientras que en el segundo son estos los que encierran al núcleo. Fig. 2.11 Disposición de bobinas en un transformador tipo acorazado Para aplicaciones de potencia relativamente baja con especificaciones de voltaje moderadas, los devanados pueden arrollarse en forma directa sobre el núcleo del 40 transformador. Sin embargo, para los transformadores de alto voltaje, potencia elevada, o ambos, las bobinas generalmente se devanan primero y después se ensamblan en el núcleo. En un transformador, tanto la pérdida en el núcleo (pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas) como en el cobre (perdida eléctrica) generan calor, el cual a su vez incrementa la temperatura de operación del transformador. Para aplicaciones de baja potencia, la circulación natural del aire podría ser suficiente para mantener la temperatura del transformador dentro de un límite aceptable. Si el incremento de temperatura no puede controlarse mediante la circulación natural del aire, es posible enfriar el transformador forzando la circulación de aire entre el núcleo y los devanados. Si tampoco basta la circulación forzada de aire, es posible sumergir el transformador en aceite especial para transformador, el cual conduce el calor a las paredes del tanque que lo contiene. A fin de incrementar la superficie de radiación del tanque, puede dotársele de aletas soldadas, o bien construirlo con lámina de acero corrugado, estos son algunos de los métodos que se usan para limitar el exceso de temperatura en un trasformador. Fig. 2.12 Transformador con aletas de refrigeración a los costados. 41 Tema 3 RUIDO EN LOS TRANSFORMADORES Los transformadores son elementos fundamentales en la transmisión y distribución de la energía eléctrica. En consecuencia los encontramos en distintas aplicaciones y diversos tipos de estaciones transformadoras. Producen un ruido similar a un zumbido durante su funcionamiento, sin embargo el nivel de ruido comparado con otros aparatos no suele ser elevado. Por otra parte la naturaleza tonal del sonido puede resultar bastante molesta, especialmente cuando el ruido de fondo es bajo. Esto resulta importante cuando se trata de estaciones transformadoras de distribución, ya que las mismas se encuentran generalmente dentro de edificios o muy próximas a la presencia de personas. Además de lo mencionado anteriormente, los niveles de ruido que emiten los transformadores están íntimamente relacionados con su deterioro. Se denomina magnetostricción a la propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético. Las vibraciones en forma de sonido son causadas por la frecuencia de las fluctuaciones del campo. Éste fenómeno es parte de la causa de que se encuentren vibraciones de 100 Hz o 120 Hz en máquinas eléctricas como motores y transformadores. Es una propiedad de los materiales ferromagnéticos de cambiar de forma en presencia de campos magnéticos, en este caso de 300 mm en una barra de 1 km. Para generar electricidad se utiliza la magnetostricción inversa, la aplicación de compresión cambia el flujo magnético lo que según la ley de Faraday induce un campo eléctrico. Fig.3.1 Magnetostricción 42 El efecto fue identificado por el científico James Prescott Joule en 1842 cuando observaba níquel puro. Internamente, los materiales ferromagnéticos tienen una estructura que está dividida en dos dominios, cada uno de los cuales es una región polarizada magnéticamente. Cuando un campo magnético es aplicado, las fronteras entre los dominios cambian y los dominios rotan, estos dos efectos se ven reflejados en el cambio dimensional del material. El efecto recíproco es el cambio de la susceptibilidad (respuesta a un campo magnético) de un material cuando está sujeto a deformación mecánica, se le llama efecto Villari2 o Efecto magnetoestrictivo inverso.3 Otros dos fenómenos están íntimamente relacionados con la magnetostricción: el Efecto Matteucci, el cual consiste en la creación de una anisotropía helicoidal de la susceptibilidad de un material magnetoestrictivo cuando está sujeto a un par, y el Efecto Wiedemann, que se manifiesta en la torsión de este tipo de materiales cuando un campo magnético helicoidal se aplica en ellos. La inversión de Villari es el cambio en el signo de la magnetostricción del hierro de positivo a negativo cuando es expuesto a campos magnéticos de aproximadamente 40,000 A/m (500 Oersted). Los materiales magnetostrictivos pueden convertir la energía magnética en energía cinética, o al revés, y se usan en la construcción de actuadores y sensores. La propiedad puede ser cuantificada mediante el coeficiente de magnetostricción, L, el cual es el cambio fraccional en longitud cuando la magnetización del material aumenta desde cero hasta el valor de saturación. Este efecto es el responsable del "zumbido" que se puede oír cerca de los transformadores y dispositivos de alta potencia eléctrica (según el país, pueden ser de 100 o 120 Hertz, además de armónicos). El cobalto exhibe la mayor magnetostricción a temperatura ambiente de todos los elementos puros, llegando a 60 partes por millón (es decir 6,0×10-5 m/m), entre las aleaciones, la mayor magnetostricción conocida hasta el momentos la presenta el Terfenol-D (una aleación de terbio, disprosio y hierro), la cual ha mostrado una magnetostricción de 2000 partes por millón (0.002 m/m) en un campo de 160 kA/m a temperatura ambiente y es el material más comúnmente usado en aplicaciones magnetostrictivas.4 Otro material magnetoestrictivo muy común es la aleación amorfa Fe81Si3.5B13.5C2, cuyo nombre comercial es Metglas 2605SC, este material tiene la cualidad de una alta constante de saturación magnetostrictiva, λ. 43 3.1 FUENTES DE RUIDO. Las principales fuentes de ruido audible en los transformadores son: 3.1.1 RUIDO DEL NÚCLEO: Cuando una lámina de metal es magnetizada, sufre un cambio es sus dimensiones, normalmente de fracciones millonésimas. Éste fenómeno se denomina magnetostricción, y no es directamente proporcional a la densidad de flujo magnético. Cuando la densidad del flujo magnético es pequeña, el aumento de densidad tiene como consecuencia una contracción del hierro. Si continuamos aumentando la densidad del flujo, se produce el efecto contrario, la lámina de hierro incrementa su tamaño. Estos cambios dimensionales son independientes de la dirección de flujo. Por lo dicho anteriormente, se produce una vibración en el núcleo con una frecuencia fundamental de 120 Hz, para las redes de 60 Hz. Sin embargo como la curva de magnetización no es lineal, aparecen los armónicos de 120 Hz en la frecuencia de la vibración resultante, como se puede observar en la Figura Nº 2. Fig. 3.2. Espectro de frecuencias típico del ruido producido por un transformador de potencia de 60 Hz El tipo de acero empleado en la fabricación de transformadores y reactores influye en gran medida en el contenido de frecuencias del espectro, así como en el nivel sonoro de los armónicos. 44 Resumiendo, los factores que influyen en la formación de ruido en el núcleo son: • Densidad del flujo. • Geometría del núcleo. • Forma de onda de la tensión. • Estructura de montaje del transformador. • Frecuencias de resonancia del núcleo. Respecto al efecto en el núcleo producido por la forma de la onda de tensión que magnetiza el núcleo, es preciso hablar del efecto corona. El efecto corona consiste en la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión. Este fenómeno tiene lugar cuando el gradiente eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se manifiesta en forma de pequeñas chispas o descargas a escasos centímetros de los cables. Fig. 3.3 Efecto corona en conexión de líneas Las líneas eléctricas se diseñan para que el efecto corona sea mínimo, puesto que también suponen una pérdida en su capacidad de transporte de energía; en su aparición e intensidad influyen los siguientes condicionantes: 45 Tensión de la línea: cuanto mayor sea la tensión de funcionamiento de la línea, mayor será el gradiente eléctrico en la superficie de los cables y, por tanto, mayor el efecto corona. En realidad sólo se produce en líneas de tensión superior a 80 kV. La humedad relativa del aire: una mayor humedad, especialmente en caso de lluvia o niebla, incrementa de forma importante el efecto corona. El estado de la superficie del conductor: las rugosidades, irregularidades, defectos, impurezas adheridas, etc., incrementan el efecto corona. Número de subconductores: el efecto subconductores tenga cada fase de la línea. corona será menor cuanto más Como consecuencia del efecto corona se produce una emisión de energía acústica y energía electromagnética en el rango de las radiofrecuencias, de forma que los conductores pueden generar ruido e interferencias en la radio y la televisión; otra consecuencia es la producción de ozono y óxidos de nitrógeno. 3.1.2 El ruido de los devanados o ruido de carga 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. La frecuencia fundamental de esta componente del ruido, duplica normalmente a la frecuencia energética. Individualmente, el ruido de los anillos, es muy bajo en comparación con el ruido del núcleo. Sin embargo se suma a éste y puede llegar a ser de importancia en los siguientes casos: Cuando la bobina se encuentra irregularmente fijada. Favorece las vibraciones. Cuando el nivel de ruido del núcleo es bajo, entonces se convierte en un componente apreciable del ruido de la máquina. Cuando la corriente de carga sea rica en armónicos. Entonces produce una considerable cantidad de ruido, cuyo espectro de frecuencia estará compuesto por las armónicas de dicha corriente. 46 3.1.3 Ruido producido por los equipos de refrigeración Los transformadores de energía eléctrica generan grandes cantidades de calor debido a las pérdidas que se producen. El calor se engendra, primordialmente, en el núcleo y los devanados, y se conduce hacia el exterior por medio del aceite refrigerante. Por último el calor se elimina a través de ventiladores que impulsan aire sobre los radiadores de aceite. El ruido emitido por los ventiladores de refrigeración es normalmente de banda ancha. Los ventiladores contribuyen en mayor medida al ruido global del transformador cuando: • El transformador es de poca potencia. • Las máquinas son de baja inducción. Ventiladores Las máquinas que habían sido fabricadas durante los años 70 (o anteriores) dejaban a cada fabricante libertad sobre la elección de los ventiladores, en todos los aspectos, tales como número de rpm, caudal, potencia del motor, ubicación física, grado de protección mecánica del motor, etc., bajo la única condición de que debían superar los ensayos de recepción de la unidad en su conjunto. Radiadores Hasta los años ’90 los radiadores estaban ubicados a ambos lados de la cuba. En general eran de altura elevada (del orden de los 2,4 m) con ventiladores de tiro vertical u horizontal de flujo continuo (el aire entraba por ejemplo desde el lado derecho y salía por el lado izquierdo). El rendimiento de estos radiadores era inferior al 70%, ya que la mayor parte de la caída térmica se producía desde la entrada de aceite (superior) y hacia la mitad del radiador se comenzaba a estabilizar, por lo que una parte de la superficie de refrigeración ya no cumplía su cometido. Se pasó así a radiadores “cortos” del orden de 1,60 a 1,80 m de altura. En este punto del análisis se resolvió incorporar el requisito de colocar los radiadores sobre un solo lado de la cuba. Entre los factores que influyen en el nivel de ruido de los ventiladores podemos citar: • Velocidad de punta del alabe • Diseño • Número de ventiladores 47 • Disposición de los radiadores. 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. 3.2 NORMALIZACION De acuerdo a la norma NMX-J-169-ANCE que tiene por objeto establecer las pruebas y métodos de prueba para transformadores y autotransformadores de distribución y potencia, en su apartado 16 establece el método para prueba de ruido audible así como los niveles admisibles de este. Fig. 3.4 Tabla de corrección de ruidos en la norma NMX-J-168-ANCE 48 La norma IEC 60075-10 es una norma internación que se centra en la presión acústica y métodos de medición de intensidad de sonido mediante el cual pueden determinarse los niveles de potencia acústica de transformadores, reactores y sus auxiliares de refrigeración asociados. NOTA A los efectos de esta norma, el término "transformador" significa "transformador o reactor". Los métodos son aplicables a los transformadores y reactores cubierto por la serie IEC 60076, IEC 60289, IEC 60726 y la serie IEC 61378, sin limitación en cuanto a tamaño o de tensión y cuando está equipado con sus auxiliares de refrigeración normales. Esta norma está destinada a aplicarse a las mediciones realizadas en la fábrica. Las condiciones en el lugar pueden ser muy diferentes debido a la proximidad de los objetos, incluidos otros transformadores. Sin embargo, las mismas reglas generales que se dan en esta norma puede ser seguido cuando se realizan mediciones on-site (no descritas aquí). Conforme a lo descrito en la norma, en sus métodos, correcciones e interpretación de datos, la tabla de aceptación de ruido es la mostrada en la siguiente imagen. Fig.3.5 Tabla de criterio de resultados 49 TEMA 4 MEDICIÓN DE RUIDOS 4.1 MÉTODO DE MEDICIÓN DE PRESIÓN SONORA La presión sonora o acústica es producto de la propia propagación del sonido. La energía provocada por las ondas sonoras genera un movimiento ondulatorio de las partículas del aire, provocando la variación alterna en la presión estática del aire (pequeñas variaciones en la presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre). En consecuencia de estas variaciones de presión atmosférica se producen áreas donde se concentran estas partículas (zonas de concentración) y otras áreas quedan menos saturadas (zonas de rarefacción). Las zonas con mayor concentración de moléculas tienen mayor densidad y las zonas de menor concentración tienen menor densidad. Cuando estas ondas se encuentran en su camino con el oído la presión que ejercen sobre el mismo no es igual para toda la longitud de onda. La presión acústica se define como la diferencia de presión instantánea y la presión atmosférica estática. La presión atmosférica se mide en pascales (Pa). En el SI (Sistema Internacional) un pascal (1 Pa) es igual a una fuerza de un newton (1 N) actuando sobre una superficie de un metro cuadrado (1 m2). La presión atmosférica se sitúa en torno a los 100.000 Pa (estableciéndose como valor normalizado los 101.325 Pa). Como en pascales las cifras obtenidas son muy grandes, normalmente, la presión atmosférica, se expresa en hectopascales hPa (igual dimensión que los milibares, que quedan en desuso) y se establecen 1.013,25 hPa como presión atmosférica normalizada a nivel del mar. La presión sonora también se puede medir en pascales, no obstante, su valor es muy inferior al de la atmosférica. El umbral de dolor se sitúa en los 20 Pa, mientras que el umbral de audición se sitúa en los 20 micro pascales (20 μPa). Además del pascal, para medir la presión sonora se utiliza el microbar (μbar), que es la millonésima parte del bar (1 Pa=1 N/m²=10 μbar y 1 μbar=10-6 bar). Fig. 4.1 Medición de ruido 50 La principal diferencia entre presión atmosférica y presión sonora es que, mientras que la presión atmosférica cambia muy lentamente, la presión sonora, alterna muy rápidamente entre valores negativos (menores que la presión atmosférica) y positivos (mayores). El número de veces que se repite un fenómeno por unidad de tiempo es lo que en física se denomina frecuencia. El hombre no tiene sensibilidad ante todas la frecuencias. El margen de frecuencias que pueden producir la sensación de sonido cuando impresiona el oído humano es lo que se conoce como audiofrecuencias y va de los 20 a los 20.000 Hz. No hay que confundir presión acústica con potencia acústica. La confusión viene por el hecho de que la presión sonora es la responsable directa de la amplitud de la onda y la amplitud determinara la cantidad de energía (potencia acústica) que contiene una señal sonora. Para diferenciar entre sonidos más intensos (el oído soporta mayor cantidad de presión sonora), de sonidos débiles, se utiliza el llamado nivel de presión sonora. 4.1.1 Nivel de presión sonora. El nivel de presión sonora determina la intensidad del sonido que genera una presión sonora (es decir, del sonido que alcanza a una persona en un momento dado), se mide en decibelios (dB) y varía entre 0 dB umbral de audición y 140 dB umbral de dolor. Para medir el nivel de presión sonora no se suele utilizar el pascal, por el amplio margen que hay entre la sonoridad más intensa y la más débil (entre 200 Pa y 20 μPa). Normalmente se adopta una escala logarítmica y se utiliza como unidad el decibelio. Como el decibelio es adimensional y relativo, para medir valores absolutos se necesita especificar a qué unidades está referida. En el caso del nivel de presión sonora en aire se toma como referencia 20 μPa mientras que en agua se utiliza 1 μPa. Las siglas SPL hacen referencia al nivel de presión sonora en inglés sound pressure level. Para medir el nivel de presión sonora se utiliza la fórmula: 𝐿𝑝 = 20 × 𝑙𝑜𝑔 𝑃1 𝑃0 Ecuación 4.1 Nivel de presión sonora Donde: P1 es la media cuadrática de la presión sonora instantánea. P0 es la presión de referencia y se toma como referencia 20 μPa. log es un logaritmo decimal Es decir, el nivel de presión acústica se expresa como 20 veces el logaritmo decimal de la relación entre una presión acústica y una de presión de referencia determinada. 51 4.2 MÉTODO DE MEDICIÓN DE INTENSIDAD SONORA Las unidades de intensidad sonora tal como las unidades de presión sonora deben cubrir un amplio tramo en las aplicaciones prácticas y es ventajoso usar los niveles en dB para contraer la escala de medidas y aproximar mejor las características de respuesta del oído. El nivel de intensidad se define como sigue: 𝑁 𝐼 = 𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝑑𝐵 𝐼𝑜 Ecuación 4.2 Intensidad sonora Dónde: I = es la intensidad medida en un punto (watt / cm2) I0 = es la intensidad de referencia (watt / cm2) La intensidad de referencia usada comúnmente es de 10-16 watt / cm2. En el aire esta referencia corresponde a la presión de referencia de 0,0002 m bar. Usando la ecuación la ecuación 4, determinamos la intensidad de referencia: 𝐼 0= 𝑃0 𝑃∗𝐶 = (0.0002)2 40.7 𝐼0 = 9.83x 1010 (erg/seg 𝑐𝑚2 ) Por lo tanto 𝐼𝑜 = 0.983𝑥10−16 (watt/𝑐𝑚2 ) La intensidad del sonido se define como la cantidad de energía (potencia acústica) que atraviesa por segundo una superficie que contiene un sonido. La intensidad del sonido corresponde al flujo de energía sonora por unidad de tiempo, definición que nos puede recordar la definición de intensidad de corriente eléctrica. Dicho de otro modo la intensidad del sonido es una medida de la amplitud de la vibración. Pero nuestro oído es un instrumento de medida con serias limitaciones fisiológicas, no es capaz de escuchar por debajo de un determinado nivel, variables entre distintas personas y con la edad, y a partir de un nivel demasiado alto, igualmente variable, recibe sensación de dolor imposibilitando la audición. 52 El nivel mínimo de sonido que una persona joven puede oír es de 10 -12 w/m 2, aunque ya veremos que esta no será nuestra unidad de medida habitual. Nuestro oído presenta otras "anomalías": La respuesta a la intensidad sonora es de tipo logarítmico, para multiplicar por dos la sensación no basta con doblar la potencia. La respuesta a distintas frecuencias será igual con intensidades distintas. Todo esto nos lo resume la siguiente gráfica: Fig.4.2 Frecuencias de niveles de sonido. 4.2.1 Factores que determinan la intensidad del sonido La intensidad de un sonido depende de la amplitud del movimiento vibratorio de la fuente que lo produce, pues cuanto mayor sea la amplitud de la onda, mayor es la cantidad de energía (potencia acústica) que genera y, por tanto, mayor es la intensidad del sonido. También depende de la superficie de dicha fuente sonora. El sonido producido por un diapasón se refuerza cuando éste se coloca sobre una mesa o sobre una caja de paredes delgadas que entran en vibración. El aumento de la amplitud de la fuente y el de la superficie vibrante hacen que aumente simultáneamente la energía cinética de la masa de aire que está en contacto con ella; esta energía cinética aumenta, en efecto, con la masa de aire que se pone en vibración y con su velocidad media (que es proporcional al cuadrado de la amplitud). 53 La intensidad de percepción de un sonido por el oído depende también de su distancia a la fuente sonora. La energía vibratoria emitida por la fuente se distribuye uniformemente en ondas esféricas cuya superficie aumenta proporcionalmente al cuadrado de sus radios; la energía que recibe el oído es, por consiguiente, una fracción de la energía total emitida por la fuente, tanto menor cuanto más alejado está el oído. Esta intensidad disminuye 3dB cada vez que se duplica la distancia a la que se encuentra la fuente sonora (ley de la inversa del cuadrado). Para evitar este debilitamiento, se canalizan las ondas por medio de un "tubo acústico" (portavoz) y se aumenta la superficie receptora aplicando al oído una "trompeta acústica". Finalmente, la intensidad depende también de la naturaleza del medio elástico interpuesto entre la fuente y el oído. Los medios no elásticos, como la lana, el fieltro, etc., debilitan considerablemente los sonidos. La intensidad del sonido que se percibe subjetivamente que es lo que se denomina sonoridad y permite ordenar sonidos en una escala del más fuerte al más débil. La intensidad de un sonido se mide en decibeles (dB). La escala corre entre el mínimo sonido que el oído humano pueda detectar (que es denominado 0 dB), y el sonido más fuerte (más de 180 dB), el ruido de un cohete durante el lanzamiento. Los decibeles se miden logarítmicamente. Esto significa que la intensidad se incrementa en unidades de 10; cada incremento es 10 veces mayor que el anterior. Entonces, 20 decibeles es 10 veces la intensidad de 10 dB, y 30 dB es 100 veces más intenso que 10 dB. Un estudio reciente (año 2005) de la OMS arrojó que España es uno de los países con mayor porcentaje de población expuesta a elevados niveles de ruido ambiental: uno de cada cuatro españoles soporta niveles superiores a los 65 decibeles. En la Unión Europea 80 millones de personas están expuestos diariamente a niveles de ruido ambiental superiores a 65 dB y otros 170 millones lo están a niveles ente 55-65 dB. 54 4.2.2 Daños Los resultados de la misma investigación señalan que la contaminación acústica constituye una seria amenaza para la salud y la calidad de vida de la población. El ruido ocasiona enormes gastos sanitarios, sociales e industriales, y es el responsable directo de miles de accidentes, del 1,5% de la pérdida de jornadas de trabajo y de hasta el 20% de las consultas psiquiátricas. Específicamente respecto de los efectos auditivos, una exposición prolongada a una fuente de ruido puede producir sordera, perforaciones en el tímpano, desplazamiento temporal del umbral de audición y el desplazamiento permanente del umbral de audición. Además del efecto sobre la audición, la exposición continuada a elevados niveles de ruido puede provocar otros muchos efectos fisiológicos que afectan en particular al sistema cardiovascular, respiratorio y digestivo. Se ha observado que las madres embarazadas que han estado desde comienzos de su embarazo en zonas muy ruidosas, tienen niños que no sufren alteraciones, pero si la exposición ocurre después de los 5 meses de gestación, después del parto los niños no soportan el ruido, lloran cuando lo sienten y al nacer tienen un tamaño inferior al normal. Fig.4.3 Perdida auditiva en funcion del tiempo de exposicion y de la frecuencia para un nivel medio de 99 dB. 55 A más de 60 dB se produce dilatación de las pupilas y parpadeo acelerado, agitación respiratoria, aceleración del pulso y taquicardias, aumento de la presión arterial, dolor de cabeza, menor irrigación sanguínea y mayor actividad muscular (los músculos se ponen tensos y dolorosos, sobre todo los del cuello y espalda). A más de 85 dB se produce secreción gástrica, gastritis o colitis; aumento del colesterol y de los triglicéridos, con el consiguiente riesgo cardiovascular. En enfermos con problemas cardiovasculares, arteriosclerosis, problemas coronarios e incluso infartos. Aumenta la glucosa en la sangre, y en los enfermos de diabetes esto puede ocasionar estados de coma y hasta la muerte. Respecto a los efectos psicológicos derivados de la exposición al ruido, el más común es el de molestia. Esta reacción psicológica tiene su origen, entre otras causas, en las múltiples interferencias que provoca el ruido en las diversas actividades del hombre, como la comunicación y el sueño (insomnio), lo que a su vez puede provocar accidentes causados por la incapacidad de oír llamados de advertencia u otras indicaciones. Además de impedir el descanso adecuado, el ruido puede afectar negativamente a la capacidad de atención y concentración, dificultando el aprendizaje y disminuyendo el rendimiento. Asimismo, puede producir alteraciones en la conducta que, momentáneamente, puede hacerse más irritable e incluso agresiva. Otros efectos: fatiga, estrés, depresión, ansiedad, histeria y neurosis, aislamiento social. Y todos los efectos psicológicos están íntimamente relacionados, por ejemplo: el aislamiento conduce a la depresión. El insomnio produce fatiga. La fatiga, falta de concentración. La falta de concentración conduce a la poca productividad, y la falta de productividad al estrés. Fig.4.2 Tabla de Intensidad Sonora. 56 4.3 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN EL SONÓMETRO: El Sonómetro es un instrumento diseñado para responder al sonido en aproximadamente la misma manera que lo hace el oído humano y dar mediciones objetivas y reproducibles del nivel de presión sonora. Existen muchos sistemas de medición sonora disponibles. Aunque son diferentes en el detalle, cada sistema consiste de un micrófono, una sección de procesamiento y una unidad de lectura. El micrófono convierte la señal sonora a una señal eléctrica equivalente. El tipo más adecuado de micrófono para sonómetro es el micrófono de condensador, el cual combina precisión con estabilidad. La señal eléctrica producida por el micrófono es muy pequeña y debe ser amplificada por un preamplificador antes de ser procesada. El sonómetro es un equipo que permite cuantificar objetivamente el nivel de presión sonora. En esencia se compone de un elemento sensor primario (micrófono), circuitos de conversión, manipulación y transmisión de variables (módulo de procesamiento electrónico) y un elemento de presentación o unidad de lectura. Cumpliendo, así, con todos los aspectos funcionales inherentes a un instrumento de medición. 4.3.1 Sonómetro El sonómetro es un instrumento de medida que sirve para medir niveles de presión sonora (de los que depende). En concreto, el sonómetro mide el nivel de ruido que existe en determinado lugar y en un momento dado. La unidad con la que trabaja el sonómetro es el decibelio. Si no se usan curvas ponderadas (sonómetro integrador), se entiende que son. Cuando el sonómetro se utiliza para medir lo que se conoce como contaminación acústica (ruido molesto de un determinado paisaje sonoro) hay que tener en cuenta qué es lo que se va a medir, pues el ruido puede tener multitud de causas y proceder de fuentes muy diferentes. Para hacer frente a esta gran variedad de ruido ambiental (continuo, impulsivo, etc.) se han creado sonómetros específicos que permitan hacer las mediciones de ruido pertinentes. En los sonómetros la medición puede ser manual, o bien, estar programada de antemano. En cuanto al tiempo entre las tomas de nivel cuando el sonómetro está programado, depende del propio modelo. Algunos sonómetros permiten un almacenamiento automático que va desde un segundo, o menos, hasta las 24 horas. Además, hay sonómetros que permiten programar el inicio y el final de las mediciones con antelación. La norma CEI 60651 y la norma CEI 60804, emitidas por la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), establecen las normas que han de seguir los fabricantes de sonómetros. Se intenta que todas las marcas y modelos ofrezcan una misma medición ante un sonido dado. La CEI también se conoce por sus siglas en inglés: IEC 57 (International Electrotechnical Commission), por lo que las normas aducidas también se conocen con esta nomenclatura: IEC 60651 (1979) y la IEC 60804 (1985). A partir del año 2003, la norma IEC 61.672 unifica ambas normas en una sola. Fig. 4.4 Sonómetro Sonómetro de clase 0: se utiliza en laboratorios para obtener niveles de referencia. Sonómetro de clase 1: permite el trabajo de campo con precisión. Sonómetro de clase 2: permite realizar mediciones generales en los trabajos de campo. Sonómetro de clase 3: es el menos preciso y sólo permite realizar mediciones aproximadas, por lo que sólo se utiliza para realizar reconocimientos. La norma IEC 61.672 elimina las clases 0 y 3, restando exclusivamente las clases 1 y 2. Sea del tipo que sea, básicamente, el sonómetro siempre está formado por: Un micrófono con una respuesta en frecuencia similar a la de las audiofrecuencias, generalmente, entre 8 Hz y 22 kHz. Un circuito que procesa electrónicamente la señal. Una unidad de lectura (vúmetro, led, pantalla digital, etc.). Muchos sonómetros cuentan con una salida (un conector jack, por lo general, situado en el lateral), que permite conectarlo con un osciloscopio, con lo que la medición de la presión sonora se complementa con la visualización de la forma de la onda. La circuitería electrónica permite al sonómetro realizar diversas funciones. Por ejemplo: 58 Los sonómetros suelen disponer de un interruptor etiquetado como Range (rango) que permite elegir un rango dinámico de amplitudes específico, para conseguir una buena relación señal-ruido en la lectura. Por ejemplo, puede haber tres posiciones: 20-80 dB, 50-110 dB o 80-140 dB. De estos intervalos, el más usado es el segundo que va desde el nivel de confort acústico hasta el umbral de dolor. El tercer tipo es el que se utiliza para medir situaciones de contaminación acústica muy degradada. Los sonómetros más modernos y de mejor calidad tienen rangos tan elevados, por ejemplo, 20-140 dB, que se asegura una medida correcta en la mayoría de las ocasiones. En los llamados sonómetros integradores, el interruptor etiquetado como Weighting permite seleccionar la curva de ponderación que va a ser usada: Fig. 4.5 Curva de ponderación isofónica Curva A (). Mide la respuesta del oído, ante un sonido de intensidad baja. Es la más semejante a la percepción logarítmica del oído humano, aunque los estudios de 59 psicoacústica modernos cuestionan esta afirmación. Se utiliza para establecer el nivel de contaminación acústica y el riesgo que sufre el hombre al ser expuesto a la misma. Por ello, es la curva que se utiliza a la hora de legislar Curva B (). Su función era medir la respuesta del oído ante intensidades para intensidades medias. Como no tiene demasiadas aplicaciones prácticas es una de las menos utilizadas. Muchos sonómetros no la contemplan Curva C (). Mide la respuesta del oído ante sonidos de gran intensidad. Es tanto, o más empleada que la curva A en la hora de medir los niveles de contaminación acústica. También se utiliza para medir los sonidos más graves Curva D (). Se utiliza, casi exclusivamente, para estudiar el nivel de ruido generado por los aviones Curva U (). Es la curva de más reciente creación y se utiliza para medir ultrasonidos, no audibles por los seres humanos. De igual modo que se permite realizar ponderación en frecuencia, la circuitería electrónica también permite hacer una ponderación en el tiempo (velocidad con que son tomadas las muestras). Existen cuatro posiciones normalizadas: Lento (slow, S): valor (promedio) eficaz de aproximadamente un segundo. Rápido (fast, F): valor (promedio) eficaz por 125 milisegundos. Son más efectivos ante las fluctuaciones. Por Impulso (impulse, I): valor (promedio) eficaz 35 milisegundos. Mide la respuesta del oído humano ante sonidos de corta duración. Por Pico (Peak, P): valor de pico. Muy similar al anterior, pero el intervalo es mucho más corto entre los 50 y los 100 microsegundos. Este valor sirve para evaluar el riesgo de daños en el oído, ante un impulso muy corto pero muy intenso. Como cualquier otro instrumento, el sonómetro cuenta con una gran gama de accesorios (además de los que les posibilita su propia electrónica): Calibradores acústicos portátiles. Para ajustar los sonómetros se utilizan los calibradores acústicos, aparato que genera un sonido estable a una determinada frecuencia. Se sabe el nivel que debe producir el sonómetro tras la medición, por lo que para ajustar el sonómetro se hace la medición y, si todo está correcto, el nivel ofrecido por el sonómetro será el mismo que se tenía de antemano. Accesorios de los sonómetros: Trípodes Pantallas antiviento Extensores 60 Fuentes de alimentación Maletas de transporte Filtros: deben cumplir con la norma EN 61260/ IEC 1260 (1995) 4.3.2 Dosímetros Cuando se quiere evaluar el riesgo de ruido, hay que tener en cuenta su nivel en función de la frecuencia, y el tiempo de exposición. Se define como dosis de ruido a la cantidad de energía sonora que un oído normal puede recibir durante la jornada laboral para que el riesgo de pérdida auditiva al cabo de un día laboral esté por debajo de su valor establecido. Se da en tanto por ciento de la dosis máxima permitida. El dosímetro mide la dosis de ruido acumulada, independientemente de donde haya estado el trabajador y del tiempo que allí haya permanecido. Existen dos criterios internacionales de dosis la Norma ISO (International Organization for Standardization) y la OSHA (Occupational Safety and Health Administration). Si nos fijamos en la ISO, podemos decir que sigue el criterio de doble nivel de intensidad de ruido, doble riesgo, es decir para un aumento de la presión sonora de 3 dBA hay que reducir el tiempo de exposición a la mitad. La dosis de ruido tiene una relación con el nivel continuo equivalente en dB durante 8 horas existiendo tablas para su correspondencia. Los dosímetros contienen etapas idénticas al sonómetro, sólo los últimos incorporan un circuito inhibidor y un circuito contador. El circuito inhibidor compara los niveles con un nivel mínimo, si es inferior no pasará al circuito contador. Esto es debido a que las normas sobre dosis de ruido indican que ruidos con niveles inferiores a un número determinado de dB no perjudican al oído y por tanto no deben tenerse en cuenta. El circuito contador acumula la dosis en función de su nivel y tiempo siguiendo el criterio de las normas. Tipos de filtros Para analizar ruidos se usan los filtros, que eliminan la parte del espectro que no esté comprendida entre las frecuencias que nos interesa medir. Para ello se usan tres tipos principales de filtros, que son los más usados: Filtros pasa bajas: dejan pasar las frecuencias que están por debajo de la seleccionada por el filtro. Filtros pasa altas: dejan pasar las frecuencias que están por encima de la seleccionada por el filtro. Filtros pasa banda: son una combinación de los dos filtros anteriores. Estos eliminan las componentes cuyas frecuencias están por encima o por debajo de unos límites o frecuencias de corte de cada filtro. Sólo las frecuencias comprendidas 61 entre ellas pasan a su través. Esta banda de frecuencias permitidas se llama banda de paso y el valor f2 -f1 se llama ancho de banda. Siendo la f1 la frecuencia de paso inferior y f2 la frecuencia de paso superior. Fig.4.6 Dosímetro 4.3.3 Filtro pasa banda angosta No hay duda de que estos filtros no están diseñados para dejar pasar una ancha banda espectral y por lo tanto son inadecuados para cúmulos de estrellas, galaxias y planetas. El único efecto positivo es el aumento del contraste de ciertas zonas de la superficie marciana. Los filtros de BE están destinados más a las nebulosas de emisión, incluidas las planetarias como M57 en Lyra, M42 en Orion, así como La Roseta y La Laguna. Entre los telescopios reflectores y los S/C, las diferencias entre los distintos objetos son muy pequeñas. La mayor diferencia en los resultados es con telescopios refractores. Este hallazgo resalta el hecho que todos los filtros desempeñan unas características únicas. La longitud de onda óptima de luz que pasa por un filtro de interferencia, su pico de transmisión, desplaza el ángulo incidente de luz hacia una salida de 90°. La banda de transmisión más estrecha del filtro, es el más sensible en el cambio angular. Mientras que esta diferencia es difícil de detectar en un filtro de banda ancha, la diferencia angular en el haz convergente entre un telescopio f/5 y un f/8 puede alterarse perceptiblemente en el pico máximo de transmisión en los filtros de banda estrecha. Aquí hay dos puntos importantes en la observación de nebulosas planetarias cuando se las observa con filtros de BE. Primero, a excepción de algunos objetos típicos, como la nebulosa del Anillo, la Dumbbell y quizá una docena más, la mayoría de las planetarias se muestran como puntos estelares en los telescopios de aficionados. Si disfrutas cazando estas volutas minúsculas de gas, los filtros de banda estrecha pueden usarse para tu ventaja. 62 Para observar alternativamente con y sin un filtro (sosteniendo el filtro entre el ojo y el ocular), una planetaria minúscula parece parpadear cuando se la compara con las estrellas de fondo, haciendo la identificación más fácil. Este mismo efecto puede también volverse contra nosotros. Una vez encontrada la planetaria, a muchos observadores nos gustaría descubrir su estrella central con grandes aumentos. Por lo tanto, una vez se ha disfrutado de la observación, no tendríamos más remedio que quitar el filtro para poder ver a la progenitora de la nebulosa. 4.3.4 Pantalla anti viento Un accesorio imprescindible para las mediciones en exteriores es la pantalla anti viento, formada por una bocha de espuma de poliuretano de unos 7 cm de diámetro. Esto reduce el ruido producido por la turbulencia del viento contra el micrófono, ya que aumenta el radio de curvatura y favorece el flujo laminar. En ausencia de viento el efecto sobre el ruido a medir es en general menor de ± 1 dB. Si bien la pantalla anti viento reduce el ruido, no lo elimina. De hecho, el ruido propio depende de la velocidad del viento. Hasta unos 20 km/h el efecto no es muy considerable, especialmente si se va a medir con ponderación A, ya que el ruido del roce del viento contra la pantalla es predominantemente de baja frecuencia, que es fuertemente atenuada por la red A [2]. Para velocidades del viento muy elevadas, existen accesorios más sofisticados, pero debe tenerse en cuenta que el viento no sólo produce ruido al interactuar con el instrumento, sino también con todos los elementos del entorno, particularmente árboles, cables, columnas, etc., por lo que debe evaluarse si la presencia del ruido del viento no desvirtúa la medición a realizar (salvo el caso en que se pretendiera medir el propio ruido del viento). Una importante excepción se da en aquellos lugares en los que el viento es permanente, por lo cual no es posible seleccionar un momento sin viento. Fig.4.5 Pantalla anti- viento. 63 4.4 PRUEBA DE MEDICIÓN DE RUIDO EN LOS TRANSFORMADORES Los procedimientos especificados para la medición de niveles de presión sonora del transformador o para el cálculo de niveles de potencia acústica en los transformadores está destinado a ser aplicable a los transformadores que se están ensayando en el interior de un laboratorio o al aire libre, en una fábrica, o transformadores que se han instalado en las subestaciones (ya sea solo o en combinación con otros equipos). 4.4.1 Instrumentos de medición Sonómetro Mediciones del nivel de presión acústica se realizarán con instrumentos que cumplan los requisitos para el Tipo 1. Filtro pasa banda de un tercio de octava Mediciones de banda de frecuencia de un tercio de octava se realizarán en el momento especificado cuando los instrumentos cumplan con los requisitos de la norma ANSI S1.4 1983 para el Tipo 1 para Tipo E, Clase II. Filtro de banda estrecha Las mediciones de frecuencia discretas podrán efectuarse en el momento especificado, cuando el ruido ambiental o las condiciones de ensayo requeridos por la norma no puedan ser alcanzados. Las características de un analizador de ancho de banda son una décima parte de octavo, un ancho de banda de 10% de la frecuencia seleccionada. Pantalla de viento Una pantalla de viento adecuada, se utilizará en la medición de sonido para evitar las interferencias de ruidos externos. Los instrumentos de medición de sonido se calibrarán según lo recomendado por el fabricante del sonómetro antes y después de cada serie de mediciones. Las mediciones de sonido se declararán nulas y se repetirá la prueba de calibración cuando el cambio es mayor que un decibel. 4.4.2 Condiciones de prueba Entorno Las mediciones deberán realizarse en un medio ambiente con un nivel de presión sonora de al menos 5 dB por debajo del nivel de presión acústica, respecto a la presión acústica que se mide cuando el transformador está funcionando junto con el ruido del ambiente. Cuándo el nivel de presión acústica ambiental es de 5 dB o más por debajo del nivel, teniendo en cuenta el transformador y el ambiente, las correcciones que se muestran en la tabla 8, se aplicarán para el conjunto de transformador ambiente. Para mediciones de un tercio de octava o banda estrecha, la diferencia de 5 dB se aplicará a cada banda de frecuencia en las mediciones que se están realizando. Si el sonido 64 ambiental no cumple con las condiciones, las correcciones adecuadas pueden ser factibles cuando las condiciones del sonido ambiental son constantes y los niveles de sonido de frecuencias discretas son medidos. Por esta razón, los detalles del método para realizar las mediciones y las correcciones del ambiente deberán ser aprobadas por el fabricante y el comprador del transformador. Diferencia de nivel de presión sonora entre el conjunto de transformador ambiente, (dB) 5 6 7 8 9 10 más de 10 Corrección que se añade al nivel de presión sonora del conjunto transformador - ambiente para obtener el nivel corregido de presión sonora del transformador (dB) –1.6 –1.3 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 0.0 Ubicación del transformador El transformador estará situado de manera que la superficie acústicamente reflectante no esté a menos de 3 metros (9 pies) del micrófono de medición, o en el suelo. Cuando un transformador se ha probado dentro de una instalación semireverberante, debe estar situado en una forma asimétrica con respecto a la geometría de la habitación. Si las condiciones especificadas no pueden ser satisfechas, el transformador no podrá estar a menos de 3 metros (10 pies) de una superficie acústicamente reflectante. Cuando las emisiones sonoras del Transformador se miden en un espacio cerrado, las reflexiones sonoras de las paredes u otros objetos de gran tamaño pueden influir en los resultados porque el sonido que contiene tonos discretos son afectados por la acústica de la sala, la geometría de la sala, o la reflexión de los objetos. Por lo tanto, pueden existir diferencias en el sonido medido en un transformador ubicado en instalaciones en interiores y el sonido medido en un laboratorio de acústica o una instalación al aire libre. 4.4.3 Operación del transformador El transformador se conectara y energizara a tensión nominal y frecuencia nominal y deberá ser al vacío con el Tap changer, en su caso, sobre el tap principal. Bombas y ventiladores se pondrá en funcionamiento, según el procedimiento, para ponerlos a prueba. Cuando los equipos de refrigeración no están conectados al transformador, se debe señalar en la hoja de datos. Cuando las emisiones de ruido de los equipos de refrigeración son adecuadas, los datos del sonido del equipo de refrigeración pueden ser adecuadamente añadidos a los datos de medición de sonido del transformador si el fabricante y el comprador están de acuerdo. La adición de datos de sonido de equipos de refrigeración a la medición de sonido del transformador se observa claramente en la hoja de datos. 65 Lap changer (cambiador de derivación) Cuando el transformador está equipado con un Tap changer, el transformador puede en ciertas posiciones del Tap changer producir niveles de sonido que son mayores a los niveles en el tap principal. Las mediciones de sonido deben realizarse con el transformador en el tap principal a menos que se especifique otra cosa. La excitación debe ser adecuada para el Tap en uso. Condiciones de funcionamiento Las mediciones de sonido se iniciarán después de que el transformador a prueba se energice y las condiciones de estado de equilibrio del nivel de sonido se establezcan. Las mediciones podrán efectuarse inmediatamente en transformadores en continua operación. Tensión nominal La tensión se medirá línea a línea para conexiones delta, y línea a neutro para conexiones estrella. La tensión se medirá con un voltímetro sensible al valor medio de la tensión, pero a escala para leer el valor rms de una onda sinusoidal que tengan el mismo valor medio. El voltímetro debe conectarse entre los terminales de los devanados. 4.4.4 Posiciones de micrófono Superficie generadora de sonido de referencia La superficie generadora de sonido de referencia de un transformador es una superficie vertical que sigue el contorno de una cuerda tensa extendida alrededor de la periferia de la caja del transformador (véase la Figura 29). El contorno incluirá radiadores, enfriadores, tubos, las cámaras y los terminales, pero se excluirán bujes y extensiones menores, tales como válvulas, medidores de aceite, termómetros, cajas de bornes, y las proyecciones a la altura o por encima de la cubierta. Fig. 4.6 Sonómetro ubicado cerca de una subestación. Consideraciones de seguridad En consideración de la seguridad y la coherencia de la medición, la superficie generadora de sonidos de referencia no cerrada y cercana de las partes sobre el terreno de los elementos reunidos (tales como interruptores, conmutadores, Los casquillos de montarse en la pared, y SF6 aire-aceite adaptadores de bujes), podrán ser trasladados hacia el exterior de la cuerda extendida al contorno para 66 ser coherente con holguras de seguridad en el trabajo según lo determinado por el fabricante para la tensión directa en partes implicadas Primera posición de medida El primer micrófono deberá coincidir con los lugares principales de la válvula de drenaje. Los micrófonos estarán ubicados a 1 metro (3 pies) siguiendo el sentido de las manecillas del reloj desde arriba a lo largo de la superficie de medición que se define en la presente cláusula. Número de posiciones de los micrófonos Se utilizará no menos de cuatro posiciones. Por consiguiente, los intervalos menores a 1 m (3 pies) pueden resultar pequeños para los transformadores. El micrófono se encuentra en la superficie de medición. Los micrófonos son espaciados 0,3 m (1 pie) de la superficie generadora de sonidos de referencia. Cuando los ventiladores están en funcionamiento, el micrófono deberá estar situado a 2 m (6 pies) de cualquier parte de los radiadores, enfriadores, tubos de refrigeración o enfriador por aire comprimido. Localización de los micrófonos Para transformadores que tengan un tamaño total de menos de 2.4m (7.2 pies) las mediciones deberán tomarse a media altura. Para transformadores con un tamaño de 2.4m (7.2 pies) o más, las mediciones deberán tomarse a un tercio y dos tercios de la altura del transformador. 4.4.5 Nivel de potencia sonora El nivel de potencia sonora de un transformador debe ser determinado usando uno de los tres métodos descritos en esta norma. El nivel de potencia sonora se determina siguiendo los siguientes pasos: a) Medir los niveles de presión sonora del ambiente b) Medir los niveles de presión sonora del transformador y del ambiente combinados c) Calcular los niveles exactos de presión sonora del ambiente d) Calcular el nivel de presión sonora promedio e) Calcular los niveles de potencia sonora 4.4.6 Nivel de presión sonora del ambiente El nivel de presión sonora del ambiente debe ser establecido promediando los niveles de presión sonora medidos inmediatamente antes e inmediatamente después de hacer las mediciones de ruido con el transformador encendido. 67 El ruido de fondo debe ser medido en un mínimo de cuatro posiciones. Sin embargo, se pueden realizar mediciones adicionales si el usuario y el fabricante así lo desean o si las medidas de ruido de fondo varían en más de 3dB alrededor del transformador. Por lo menos una de las posiciones donde se medirá el ruido de fondo debe estar en el centro de cada cara superficial de medición. Las rectificaciones del ruido de fondo pueden ser realizadas en las posiciones de cada micrófono antes de haber realizado el cálculo del promedio del ruido del transformador. El ruido de fondo debe ser medido usando el mismo ancho de banda (tipo A 1, un tercio de octava, o frecuencias discretas) especificado en las medidas de ruido del transformador. Las rectificaciones del ruido de fondo deben hacerse con las mismas frecuencias o ancho de banda que se usó para medir el nivel de ruido generado por el transformador y el ambiente Fig. 4-7 Grafica del umbral del dolor. Medidas de nivel de presión sonora El ruido del transformador debe ser medido usando medidas tipo A. Además, las medidas de un tercio de octava de banda o medidas de banda angosta podrán efectuarse en el momento especificado. Cuando se especifica, el nivel de presión sonora también debe ser medido usando la escala de sonido tipo C Emisiones sonoras: Escala tipo A: (A-weighted soun level) hace referencia a una escala comúnmente usada para medir el ruido en las ciudades, solo se tienen en cuenta las frecuencias a las cuales responde el oído humano 2 68 Escala tipo C: (C-weighted sound level) hace referencia a un pequeño intervalo de frecuencias sobre el gran rango de frecuencias audibles en frecuencias discretas pueden ser medidas bajo un mutuo acuerdo del comprador y el vendedor, o cuando el ruido de fondo en determinada frecuencia no puede ser detectado por el método de medición tipo A o el de banda de un tercio de octava. Mediciones de presión sonora tipo A. El nivel de presión tipo A debe ser medido con un medidor de nivel sonoro ajustado a la escala tipo A Mediciones de presión sonora de un tercio de octava Los niveles de presión sonora en una banda de un tercio de octava deben ser medidos en las frecuencias de media banda de 63Hz a 4000Hz Mediciones de presión sonora de banda angosta Los niveles de presión sonora en frecuencias discretas deben ser medidos en la frecuencia fundamental (60Hz por ejemplo) y por lo menos cada uno de los siguientes seis armónicos pares (120Hz, 240Hz, 360Hz, 480Hz, 600Hz y 720Hz) Mediciones de presión sonora tipo C El nivel de presión tipo C debe ser medido con un sonómetro ajustado a la escala tipo C Nivel exacto de presión sonora del medio ambiente El nivel exacto de ruido de fondo debe ser calculado usando el procedimiento Promedio del nivel sonoro Lp El promedio del nivel de presión sonora ocasionada por el transformador debe calcularse promediando el nivel exacto de ruido de fondo medido en cada una de las posiciones de los micrófonos y por cada banda de frecuencias (tipo A, banda de un tercio de octava, o frecuencia discreta) usando la ecuación (34): Lp=10×log1Ni=1N10Li10 (34) Donde: Li es el nivel de presión sonora medido en la iésima posición para el nivel de presión sonora tipo A, para una banda de frecuencias de un tercio de octava, o para una frecuencia discreta (dB) N es el número total de mediciones. El resultado matemático de las mediciones de nivel de presión sonora puede ser usado para determinar el promedio del ruido ocasionado por el transformador cuando la variación en las medidas es de 3dB o menos o cuando se desea un valor aproximado del promedio del ruido ocasionado por el transformador. Calculo del nivel de potencia sonora Lw El nivel de potencia sonora debe ser calculado para cada banda de frecuencias (tipo A, banda de un tercio de octava, o frecuencia discreta) usando la ecuación (35): Lw=Lp+10×logS (35) El área superficial de medición S es el área vertical (en metros cuadrados, o pies cuadrados) que envuelve el transformador (superficie de medición) en la cual los puntos de medición de sonido están localizados sobre el plano horizontal limitado por la superficie de medición vertical Alternativamente, para transformadores grandes el área 69 superficial de medición es aproximadamente igual al 125% del área vertical que envuelve el transformador (superficie de medición) Cálculo del nivel de potencia sonora tipo A. El nivel de potencia sonora tipo A debido a un transformador debe ser calculado usando los procedimientos descritos cuando el nivel de presión sonora tipo A no ha sido medido Presión sonora de un tercio de octava Cuando ha sido calculado el nivel de potencia sonora generado por un trasformador usando medidas de presión sonora de un tercio de octava (ver tabla 9), el nivel de potencia sonora tipo A puede ser calculado usando la ecuación (36): LwA=10×logj=11910Lwfj+kj10 (36) Donde: Lwfj es el nivel de potencia sonora en la fj banda de tercio de octava (dB) kj es la corrección tipo A para la jésima banda de frecuencia. 70 TEMA 5 TENICAS DE CONTROL DE RUIDO EN TRANSFORMADORES 5.1 CONTROL DE RUIDO INDUSTRIAL Si bien la ingeniería de control de ruido industrial necesita algún conocimiento fundamental de acústica; el problema depende igualmente de un alto grado de ingenio por parte del higienista industrial o de cualquier otro individuo responsable del control del ruido. Los principios generales de acústica han sido perfectamente bien establecidos. Sin embargo, las complejidades de las fuentes de ruido industrial y de sus ambientes tienen en la mayoría de los casos de soluciones empíricas, de ahí que ciertos procedimientos experimentales sean usuales en el desarrollo del control de ruido. El primer paso en cualquier problema de control de ruido es asegurar información adecuada tanto en calidad como en cantidad y en relación con la magnitud del problema. Esto significa medir el espectro del ruido y asegurarse información completa sobre el ambiente en el cual existe el ruido. El siguiente paso lógico es la comparación de información de los valores cuantitativos del ruido con los criterios establecidos para evitar daño auditivo, molestias o problemas de comunicación de la voz. Sería juicioso considerar como sospechoso y motivo de control todos los niveles de ruido que exceden el criterio. La cantidad de control de ruido requerida para cada una de las bandas de frecuencia es aquella atenuación suficiente para reducir el ruido a un nivel dentro del criterio seleccionado. Si este grado de reducción de ruido no se alcanza, algún riesgo debe aceptarse. Habiendo determinado el grado de reducción de ruido requerido, el higienista industrial debe entonces considerar distintas medidas de control tales como: diseño ingenieril, protectores personales o limitación del tiempo de exposición. El método preferido de reducción de ruido es generalmente el control ingenieril, tal como, cambio de la producción sonora de la fuente, aplicación de barreras, absorción sonora o montaje de máquinas. Sin embargo, tal control no es siempre posible o factible, en cuyo caso, otras medidas de control deben emplearse tal como aparatos de protección personal, limitación del tiempo de exposición o una combinación de estos. Una vez tomadas las medidas de control, el paso final en el programa de control de ruido, es volver a medir el ruido para determinar el grado de éxito alcanzado por un método de control específico. El grado de éxito no estará determinado solamente sobre la base de una evaluación subjetiva. Es imperativo volver a medir el espectro del ruido con el fin de determinar cuanta reducción se obtuvo realmente. 71 Cuando en un área hay implicada más de una fuente, es esencial reducir la más ruidosa si se quiere alcanzar una reducción efectiva. Hay que hacer notar que el sonido producido por una fuente simple puede viajar por más de una trayectoria hasta el punto en el cual se hace molesto. Por eso es conveniente hacer diagramas de flujo ruidoso los cuales son una buena ayuda para un análisis exacto de un problema dado. Por ejemplo, fuentes sonoras instaladas en un encierro puede tener: Radiación directa por el aire a través de aberturas en el encierro Radiación sonora dentro del encierro debido a vibración producida en la fuente y transmitida por trayectoria sólida al aire. Radiación indirecta desde el encierro, esto es, sonido generado por la fuente, transmitido por el aire en el interior del encierro y seguida vuelto a radiar por la pared exterior del encierro. El problema está en determinar cuál trayectoria lleva la mayor cantidad de energía y entonces seleccionar métodos apropiados, para obtener la reducción deseada a lo largo de ellas. El modo de atacar un problema de ruido es algo análogo al modo de controlar cualquier riesgo ambiental. Las dos causas principales de la generación de ruido en transformadores de potencia son las siguientes: 1. PROPIAS Ruido magnético, generado por el núcleo de chapas excitadas con una tensión de 50 Hz de frecuencia. Ruido de ventiladores, que forman parte del sistema de refrigeración de las unidades ONAF. 2. PRODUCTO DE LA OPERACIÓN. Despacho de las unidades con valores de tensión superior al valor nominal de diseño. Las acciones que se pueden tomar con el propósito de reducir el ruido emitido abarcan dos aspectos: • Reducir el número de vueltas (r.p.m.) de los ventiladores a un valor de r.p.m. Esta solución no aporta gran mejora en el control de ruido. • Aislar la unidad a través de pantallas acústicas. Esta solución fue la históricamente adoptada por la mayoría de las Empresas Distribuidoras y de Transmisión para mitigar el ruido, pero no era satisfactoria y resultaba altamente costosa. Además, las pantallas acústicas empeoraban en gran medida las condiciones de ventilación. 72 Sobre el sistema magnético El núcleo del transformador es la fuente de ruido magnético que se propaga a través del aceite, siendo los paneles que conforman la cuba propiamente dicha los que actúan a modo de emisores del sonido (parlantes).Para disminuir la emisión de ruido magnético, se impone aumentar la tensión aplicada durante el ensayo de medición de ruido. Esto obliga al fabricante a que como el flujo requerido (en Wb/m2) no debe modificarse, se requiera una disminución de la inducción lo que trae aparejado requerir un aumento de la sección útil del núcleo y por ende mayor cantidad de Fe-Si. Respecto del sistema aplicado en la ejecución del circuito magnético, es de uso común en estas unidades el corte de chapas en sistema ‘step-lap’ (usualmente de 5 a 7 escalones) de modo de obtener, además de las ya conocidas ventajas de minimizar pérdidas, obtener mejoras sustanciales en el apriete del cuadro magnético en su totalidad. Además de lo anteriormente indicado, cada fabricante debe utilizar los sistemas de ejecución de la cuba que garanticen la menor transmisión de la emisión sonora. Este requisito resolvió dos problemas: 1.- Por un lado ayudó a resolver varios temas de montaje. Entre ellos, cuando la unidad debía ser instalada en un BOX cerrado, los radiadores colocados sobre un solo lado alejan la fuente de ruido magnético respecto de la pared medianera (vecinos), lo que contribuye, entre otras ventajas adicionales como ser la facilidad del montaje, a utilizar barreras acústicas de menor costo para poder cumplir las normas. 73 5.2 AISLAMIENTO ACÚSTICO. Las pantallas funcionan por el denominado efecto apantallamiento, por el cual se produce el bloqueo de recorrido de propagación sonoro directo entre la fuente sonora y el receptor, produciendo una reducción en el sonido directo, que se caracteriza por la atenuación acústica reducida de una pantalla Dz,r. El valor de Dz,r es mayor. - Cuanto mayor sea la dimensión más pequeña de la pantalla; - Cuanto más corta sea la distancia entre la fuente sonora y la pantalla; y- cuanto más corta sea la distancia entre el receptor y la pantalla En el caso de que las pantallas tengan una longitud finita, será necesario considerar tres vías de propagación entre el emisor y el receptor: la parte alta y los laterales de la barrera. Para obtener el nivel de atenuación de la pantalla acústica, será necesario combinar los resultados parciales obtenidos. Pero en las pantallas también es necesario tener en consideración la absorción acústica de una pantalla próxima a una fuente sonora, dado que esta produce una reducción en la potencia acústica radiada de la fuente al espacio detrás de la pantalla, que se caracteriza por la pérdida por inserción Di. El valor de Di es tanto mayor. - Cuanto mayor es el coeficiente de absorción de la superficie de la pantalla frente a la fuente sonora; - Cuanto más pronunciada sea la directividad de la radiación sonora frente a la pantalla; y - Cuanto más encerrada esté la fuente sonora por la pantalla Las formas y las propiedades de la pantalla son menos importantes para el efecto del apantallamiento. El apantallamiento del sonido directo tiene menos efecto en la atenuación acústica in situ en un receptor situado fuera del radio De reverberación en torno a la fuente sonora. En este punto, el sonido reflejado desde todas las superficies del recinto y sus elementos anexos es más fuerte que el campo acústico directo, por lo que en el diseño de una pantalla acústica es imprescindible estimar el radio de reverberación (que suele ser solamente de unos pocos metros). Para particiones acústicas, el caso de diseñar pantallas para dividir un recinto en varias áreas, se produce un desacoplo parcial del campo acústico en el lado de la fuente de la pantalla desde el campo sonoro hasta el resto del recinto. Más eficaz será el desacoplo, y mayor será la diferencia de nivel de presión acústica resultante, cuanto menor sea el área abierta al lado de la pantalla, y mayor sea la absorción sonora en el perímetro de la abertura. Es por ello imprescindible que cuando las pantallas vayan a ubicarse en espacio cerrados estas sean altamente absorbentes. 74 Paneles fonoabsorbentes están hechos de un material de gran capacidad fonoabsorbente y fono-aislante indicado para cubrir grandes y pequeños ambientes con alto nivel sonoro. Los paneles acústicos fonoabsorbentes de hormigón ofrecen propiedades reductoras del ruido aéreo, reduciendo su transmisión directa Constan de un elemento fonoabsorbente, cuya función principal es aportar el comportamiento acústico al panel de hormigón, y de un elemento estructural, cuya función es soportar las cargas del viento y esfuerzos de manipulación que el elemento debe soportar durante su vida útil, además de mantener en su posición los elementos acústicos. Las barreras acústicas son la solución ideal para amortiguar ruido de equipos de climatización o maquinaria en campo abierto, por su bajo coste y buena eficiencia. En muchos casos se requiere un estudio preliminar ya que la eficacia de una barrera acústica depende de la ubicación. Las ventajas de las barreras acústicas de hormigón frente a otro tipo de barreras de diferentes materiales es su mayor durabilidad, capacidad para comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas y químicas agresivas a lo largo de la vida útil de la estructura, y nulo mantenimiento . Fig. 5.1 Aislamiento acústico de transformador 75 5.3 SILENCIADORES ACÚSTICOS La atenuación acústica debe ser la mayor posible, no solo a nivel global, sino también espectralmente. Dependiendo de la velocidad del gas, se exigirán unas condiciones aerodinámicas especiales. Los materiales que componen el silenciador acústico vendrán determinados por la temperatura y la presión del gas. La durabilidad del conjunto dependerá de la calidad del material seleccionado. La geometría y dimensiones del silenciador vendrán determinados en cada caso por el espacio disponible, el caudal y la pérdida de carga. Hay situaciones en que el volumen está muy limitado, por ejemplo en el caso de los escapes de aire comprimido. Se caracterizan por tener un recubrimiento de material absorbente en su interior que define su funcionamiento. Hay diferentes modelos de silenciadores acústicos rectangulares, cada uno de ellos para aplicaciones específicas. Un silenciador es un dispositivo que actúa como un filtro acústico, reduciendo la transmisión del sonido a través de un conducto, tubería o una abertura sin perjudicar el transporte del fluido en el medio. La solución alternativa al uso de los silenciadores son las rejillas acústicas. Tanto a nivel estético, de dimensiones como funcional, ofrecen una alternativa viable en muchas ocasiones en donde los requisitos de control del ruido son moderados. APLICACIONES Cuando el sonido aéreo no puede controlarse en la fuente, los silenciadores proporcionan un importante medio de reducción del sonido en el camino de propagación del sonido. Los silenciadores tienen numerosas aplicaciones y diseños, basados en combinaciones de absorción y reflexión del sonido, así como la reacción sobre la fuente sonora. Las aplicaciones principales de los silenciadores son las siguientes: - Atenuar el ruido producido por equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). - Atenuar la transmisión del ruido a través de aberturas de ventilación de las salas con altos niveles interiores de sonido). 76 - Atenuar el ruido de entrada y salida de ventiladores, compresores, extractores y turbinas. - Atenuar el ruido de escape generado por líneas de alta presión y purgas de vapor, válvulas de seguridad, eyectores. - Atenuar el ruido generado en la entrada y salida de los motores de combustión interna, escapes de gases. - Atenuar el ruido generado por compresores alternativos, motores rotativos, compresores centrífugos, bombas de vacío, bombas alternativas y rotativas. Las rejillas acústicas son usadas normalmente en salidas de ventilación de fachadas, donde es necesario atenuar el ruido generado por los sistemas. Con mucha menor profundidad de diseño que los silenciadores (de 150mm a 600mm) consiguen excelentes resultados de atenuación acústica, a la vez que sirven de sistemas de protección a las condiciones atmosféricas y de seguridad. DATOS ACÚSTICOS Las Normas UNE EN ISO 11691 y UNE EN ISO 7235 establecen los criterios de medición de las atenuaciones acústicas de los silenciadores, y la forma de expresar los mismos por parte de los proveedores de estos elementos. Existen dos grandes formas de valorar el rendimiento acústico de un silenciador: bien a través de la “pérdida por inserción” (Di), o bien a través de la valoración de la “pérdida por transmisión” (Dtr). Ambas formas son correctas, pero su significado difiere, dado que la pérdida por inserción, que se usa sobre todo cuando los silenciadores se colocan en conductos, expresa la diferencia de potencia acústica radiada por el conducto con la inserción de este elemento de control, mientras que la pérdida por transmisión es la diferencia de niveles de presión sonora entre un extremo y otro del silenciador. Fig. 5.2 Silenciadores acústicos para transformadores 77 5.4 DISPOSITIVOS ANTIVIBRATORIOS Las vibraciones emitidas por un transformador se producen por la magnetostricción entre las placas del núcleo del transformador, cuando estas cambian de forma al estar en presencia del campo magnético. La frecuencia principal de las vibraciones emitidas por los transformadores son 100 Hz y sus armónicos, aunque en ocasiones los 50 Hz pueden ser relevantes. Estas vibraciones si no se aíslan se transmiten por toda la estructura del edificio haciendo vibrar partes de este, lo cual provoca nuevos focos de ruido que resulta muy molesto. Estos de baja frecuencia, están calculados para tener un alto rendimiento antivibratorio, ya que permiten aislar incluso más de un 99 % las vibraciones generadas por los transformadores eléctricos. Cuando el aislamiento de techos y forjados no es suficiente para prevenir la transmisión de ruido y vibraciones procedentes de maquinaria y actividades ruidosas en recintos colindantes (superiores y/o inferiores), el uso de los suelos flotantes es la solución perfecta. Son sistemas que proporcionan buenos resultados tanto en la mejora del aislamiento a ruido aéreo como del ruido estructural o de impacto, pero su selección no debe de entenderse de manera independiente al uso de sistemas antivibratorios, sino complementario a los mismos (sobre todo cuando se trata de aislar maquinaria y equipos ruidosos). El secreto del funcionamiento de todo suelo flotante está en garantizar la flotabilidad total del sistema tratado, por lo que se necesita especial cuidado en las transmisiones por flancos (uniones con paramentos verticales), y en los pasos de conductos y tuberías. Además, en todos los recintos de instalaciones y recintos de actividades que requieren un elevado nivel de aislamiento a ruido aéreo (superior a 65 dB), es indispensable que los paramentos verticales (paredes y pilares) descansen sobre suelos flotantes y techos acústicos elásticos. Los suelos flotantes se definen como elementos constructivos sobre el forjado que se componen de solados, con su capa de apoyo y una capa de material aislante a ruido de impactos, es decir, básicamente consisten en interponer un material elástico que independice totalmente la solería del forjado. Es por lo tanto un elemento pasivo, que proporciona mejora de aislamiento estructural, y que dependiendo de la masa que soporte funcionará como una pared doble, proporcionando un aislamiento acústico a ruido aéreo extra. Cuando la finalidad a conseguir sea el reducir e incluso eliminar las vibraciones de aquellos transformadores de distribución que las produzcan de forma anormal, los mejores resultados los obtenemos interponiendo una suspensión elástica apropiada entre el generador de vibraciones y el suelo o firme donde descansa. 78 El amortiguador más adecuado para realizar esta función es aquel que combina muelle de acero de alta resistencia y almohadilla amortiguadora de acero inoxidables bien, no se pueden descartar otros sistemas de eficacia equivalente. Es importante tener en cuenta que cada transformador de distribución debido a la variación de su peso - requiere un tipo de amortiguador concreto, lo que se deberá tener presente en el caso de un eventual cambio de máquina. Debido a su concepción, estos dispositivos antivibratorios, pueden adaptarse con facilidad a la estructura del transformador, el soporte elástico para transformadores es la mejor solución para la mayoría de los problemas de ruido y vibración estructural. Las características de este resorte pueden adecuarse a las exigencias propias de la aplicación, o al método de construcción, mediante la elección apropiada del tipo de soporte, de su grosor y de la superficie de apoyo, en la práctica reacciona positivamente. Ni siquiera con una carga de corta duración de 10 veces la normal daña el material. Los soportes elásticos están hechos de un poliuretano especial con excelente elasticidad que se utiliza, en forma celular o compacta, para numerosas aplicaciones en la ingeniería civil e industrial. En la mayoría de estas aplicaciones, se emplea como intercapa elástica similar a la de un resorte. Fig. 5.4 Compuesto bielastico Una de las ventajas es que gracias a su naturaleza micro celular es geométricamente compresible, por lo tanto no es necesario perfilar o dejar espacios libres para su expansión, como sucede con los elastómeros compactos. Así mismo los esfuerzos a cizalla no son críticos, lográndose estabilidad posicional. El no dejar espacios libres significa evitar un mal funcionamiento debido a la penetración de productos tales como agua o suciedad. El soporte posee una alta capacidad de aislamiento con pequeñas deformaciones estáticas. La curva de deformación por carga es degresiva, de baja deformación y así 79 mismo tiene un comportamiento dinámico dúctil y de gran aislamiento, además, los materiales tienen una altísima capacidad de absorción de vibraciones y una mínima amplificación de la resonancia. Los soportes elásticos para transformadores están compuestos por tres capas. Dado que las ruedas producen una alta carga puntual se hace necesario introducir una capa intermedia de alta densidad para distribuir la carga uniformemente. La composición de las capas es la siguiente: A. Capa de P-12. La baja densidad hace que encaje la rueda del transformador y evita que se deslice la misma. B. Capa de 8 mm de alta densidad para la distribución uniforme de la carga. C. Capa de 25 mm que se calcula en diferentes densidades y dimensiones dependiendo del peso del transformador. El índice más utilizado para cuantificar el grado de atenuación acústica a ruido estructural entre recintos es el L`n, T, definido por las Normas UNE EN ISO 717:2. Para comparar diferentes sistemas flotantes se utiliza la mejora en la reducción de energía estructural que de un recinto a otro se consigue con el uso de una determinada solución, es decir, el ∆L´nT. Una interpretación individual de resultados requiere del análisis de la situación de partida previa, y de los resultados obtenidos tras la colocación del suelo flotante, es decir, la información aportada por el ensayo es en cuánto se reduce la transmisión estructural al colocar un determinado suelo flotante. Realizar un análisis comparativo de L´nT entre diferentes soluciones de suelos flotantes requiere que los elementos base (forjado) y las losas superiores (solera y solería) sean exactamente los mismos. La elección de un determinado suelo flotante en una edificación para conseguir L´nT máximo debe de garantizar que la utilización del mismo forjado y losas que las aportadas por el fabricante en sus ensayos Fig. 5.3 Sistema antivibratorio para transformadores 80 ANALISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES En la realización de esta investigación, se verifico que existen varios enfoques que manejan las diferentes organizaciones que dictaminan las normas sobre la realización de pruebas y los métodos de control del ruido en los transformadores. Al hace uso de las distintas normas y fuentes de información, las personas que no cuentan con un nivel académico afín al ramo técnico o de ingeniería, se les complica el entendimiento de este, ya que estas, exponen la información de manera extensa y profunda, con términos técnicos y demasiadas deducciones de fórmulas las cuales hacen un poco más complicada su compresión. En esta investigación, sintetizamos y extrajimos la información más relevante y apegada a los equipos utilizados en el país, generando una fuente de consulta e información más simplificada, buscando que las personas aun no teniendo los conocimientos técnicos, pueda comprender el contenido de la investigación. 81 CAPITULO III CONCLUCIONES En este trabajo de investigación se describen las características, los métodos de control y medición del ruido en los transformadores de potencia, ya que este fenómeno es muy poco estudiado, se da una descripción de los transformadores como son su principio de funcionamiento, la clasificación y la normalización que rige su construcción en específico de nuestro país. Durante el desarrollo se describen todas las causas del ruido en transformadores tomando en cuenta todos los aspectos funcionales, y describiendo cada una de tales causas, y también se describen las normas que rigen los límites y niveles permisibles de ruido que debe tener un transformador. También se incluyen los métodos de medición como son el método de medición de ruido por presión y el método de ruido por intensidad, y se describe el procedimiento de cada uno de estos. Se describen distintos equipos y de medición del ruido y también se incluyen estudios de cómo afecta este el ambiente de trabajo en ciertos lugares. De esto surgen distintas técnicas de control como son las pantallas de aislamiento acústico, dispositivos antivibratorios y silenciadores. 82 BIBLIOGRAFÍA International Standards IEC 60076-10, Power transformers – Determination of sound levels, International Electrotechnical Commission, 2001 http://212.175.131.171/IEC/iec60076-10%7Bed1.0%7Den.pdf Diario Oficial de la Federación, Declaratoria de vigencia de las normas mexicanas, 2009 http://www.motorselectrics.com/pdf/Ruido_Transformadores_MT_Medio_Ambiente_MANEL_2007-0607_v2.pdf A. Lamas Nelson, Control de ruidos en Subestaciones, EDESUR S.A., San José, Argentina, 2011 http://www.cidel2010.com/papers/PAPER-27-15032010.PDF Ruido Acústico, http://es.wikipedia.org/wiki/Ruido Norma Oficial Mexicana NOM-002-SEDE-2007, Requisitos de seguridad y eficiencia energética para transformadores de distribución. http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=5094818&fecha=17/06/2009 BOYLESTAD Robert. L, Análisis Introductorio de Circuitos, Editorial Prentice Hall, México 1998. Pág. 1032-1037, 1041-1056. CHAPMAN Stephen, Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, Editorial Nomos S.A. Pág. 61- 70 SEARS, Fundamentos de física mecánica, calor y sonido, séptima edición, Pág. 134160 Douglas C. Giancoli, Física Para universitarios, volumen 1 Editorial McGraw Hill. Pág.256-294. Bhag S.Gurur y Huseyin R. Hiziroglu, Maquinas eléctricas y transformadores, 3era Edición, Editorial Oxford. México 2006. Pág. 380-415. Terrell Croft, Cliffort L. Carr, John H. Watt, Manual del montador electricista: el libro de consulta del electrotécnico, Reverte 1974. Pág. 89-91 83 ANEXOS Y APENDICES Tabla 1. Nivel de ruido de equipos industriales Tabla 2. Efectos del ruido 84 Tabla 3. Conexiones para un transformador trifásico 85 Figura 1. Diagrama fasorial de un transformador con factor de potencia atrasado. Figura 2. Diagrama fasorial de un transformador con factor de potencia igual a 1 Figura 3. Diagrama fasorial de un transformador con regulación negativa Tabla 3. Ruido producido por diversos transformadores 86 Tabla 4. Perdida de transmisión de diversos materiales en función de la frecuencia y clase de transmisión sonora. Tabla 5. Dimensiones de los aislantes acústicos de DM 87
