Sb95854

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. Ю. ПЕЧЕНКОВ И. В. ПОЗНЯК А. Н. ШАТУНОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Электронное учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 621.365.5 ББК 31.22

Г16

Печенков А. Ю., Позняк И. В., Шатунов А. Н.

Г16 Исследование взаимодействия электромагнитного поля с веществом: электрон. учеб.-метод. указания к лабораторным работам. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 16 с.

ISBN 978-5-7629-2172-5

Рассматриваются вопросы электромагнитного и ферромагнитного экранирования магнитного поля индукционной тигельной печи и зависимости активного и внутреннего реактивного сопротивления провода индуктора от частоты.

Предназначены для подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (образовательная программа «Электротехнологические установки и системы»).

УДК 621.365.5 ББК 31.22

Рецензент канд. техн. наук В. С. Федорова (ПГУПС Императора Александра I).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебно-методического пособия

2

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТОВ ФЕРРОМАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЭКРАНОВ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Цель работы: исследование электромагнитного и ферромагнитного экранирования магнитного поля индукционной тигельной печи.

1.1. Общие сведения об экранировании внешних магнитных полей индукционных тигельных печей

Особенностью индукционных тигельных печей является наличие вблизи индуктора сильных переменных магнитных полей. В элементах корпуса печи, находящихся в этих полях, возникают вихревые токи, создающие активные потери энергии.

Для уменьшения потерь каркасы печей малой емкости (до 500 кг) часто изготавливаются из неметаллических материалов. Каркасы печей большой емкости изготавливаются из немагнитных сплавов. Кроме того, применяется экранирование, которое ослабляет магнитное поле в зоне каркаса настолько, что потери в нем снижаются до ничтожной величины и оказывается возможным изготовить каркас из обычной углеродистой стали.

Удельная мощность потерь p0 , Вт/м2, в металле каркаса печи определяется следующим выражением:

где Фm – амплитуда магнитного потока вне индуктора, Вб; – относительная магнитная проницаемость среды в этой части потока; Qп – площадь поперечного сечения магнитного потока между индуктором и каркасом печи, м2.

3

Как видно из выражений (1.1) и (1.2), для снижения напряженности магнитного поля в зоне каркаса необходимо увеличить , т. е. поместить между индуктором и каркасом магнитопровод – ферромагнитный экран. Увеличение Qп не-

желательно, таккакэтосвязаносувеличениемразмеровкорпусапечивплане. Степень экранирования электромагнитного поля индуктора определяет-

ся коэффициентом экранирования:

где H1 – напряженность магнитного поля в зоне каркаса без экрана, А/м; H2 – напряженность магнитного поля в зоне каркаса при наличии экрана, А/м.

Величина kэзависит от соотношения длин магнитопровода и индуктора

и от площади сечения экрана.

Для уменьшения потерь в корпусе печи можно применить также электромагнитный экран, представляющий собой замкнутый цилиндрический кожух из медного или алюминиевого листа, расположенный между индуктором и каркасом печи. Явление электромагнитного экранирования состоит в том, что в результате протекания в металле экрана индуцированных токов создается поле реакции, противодействующее основному магнитному полю индуктора. Напряженность результирующего магнитного поля в зоне каркаса значительно уменьшается. Степень электромагнитного экранирования определяется величиной напряженности магнитного поля реакции, которое зависит от материала экрана и его толщины.

1.2. Описание лабораторного макета

Лабораторная работа выполняется на макете индукционной печи, в состав которого входят:

машинный генератор типа ОВ-10, f = 1 кГц;

градуировочная индуктирующая катушка;

градуировочный магнитный зонд;

стационарные магнитные зонды;

рабочая индуктирующая катушка;

ферромагнитный экран (n пакетов магнитопровода);

электромагнитные алюминиевые экраны;

латунный цилиндр;

4

троизоляционном цилиндре. Электромагнитные экраны изготовлены в виде полых цилиндров из листового алюми-

ния разной толщины. Стационарные магнитные зонды в виде миниатюрных катушек установлены в точках, находящихся внутри и снаружи экрана.

Электрическая схема макета собирается согласно рис. 1.1., где МГ – машинный генератор; С – конденсаторная батарея; А – амперметр; V1 – вольтметр; W – ваттметр; М – система, включающая в себя индуктирующую катушку, экраны, нагрузку; V2 – милливольтметр.

1.3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с измерительными приборами макета и занести их характеристики в табл. 1.1.

2.Ознакомиться с остальными элементами макета и занести их данные в табл. 1.2.

3.Произвести градуировку магнитного зонда совместно с измерительным прибором.

Собрать схему по рис. 1.1, включив в качестве нагрузки М градуировочную катушку. В среднюю часть градуировочной катушки, где поле однородно, ввести градуировочный магнитный зонд, смонтированный на изоляционном стержне. К градуировочному магнитному зонду подключить милливольтметр.

Градуировочный зонд и стационарные магнитные зонды одинаковы по конструкции и имеют одинаковые градуировочные коэффициенты.

Включить машинный генератор и, изменяя ток его возбуждения, установить поочередно несколько фиксированных значений тока градуировочной катушки Iгр . Для каждого значения тока Iгр измерить соответствующее зна-

5

чение напряжения на градуировочном магнитном зонде Uгр . Вычислить значения напряженности магнитного поля градуировочной катушки Hгр и гра-

дуировочного коэффициента k:

Hгр IгрW , А/м; hгр

kHгр IгрWгр , А/(м·В). Uгр hгрUгр

Данные измерений и вычислений занести в табл. 1.3. Вычислить среднее значение градуировочного коэффициента kср.

4. Определить изменение параметров индуктирующей катушки и напряженности магнитного поля в зависимости от нагрузки и экранирования.

Собрать схему по рис. 1.1, где М – система, включающая индуктирующую катушку, экраны, нагрузку. Включить машинный генератор и установить ток в цепи индуктирующей катушки I = 7 А. Для всех приведенных в табл. 1.4 сочетаний нагрузки и экранов произвести замеры тока I, напряжения U и мощности P в цепи индуктирующей катушки, а также напряжений на стационарных магнитных зондах U' (внешний) и U'' (внутренний).

Вычислить полное, активноеи реактивное сопротивления нагрузки (Ом):

6

Таблица 1.3

Градуировка магнитного зонда

Результаты вычислений занести в табл. 1.4.

1.4.Содержание отчета

1.Цель работы и краткое содержание.

2.Электрическая схема макета.

3.Перечень оборудования и приборов.

4.Результаты исследований в виде расчетов и таблиц.

5.Выводы:

7

влияние толщины стенки экрана, числа пакетов магнитопровода на эффект экранирования;

влияние глубины проникновения тока в нагрузку на величину внешнего поля индукционной печи (без экрана);

влияние экранов на параметры печи (z, r, x).

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО И ВНУТРЕННЕГО РЕАКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРОВОДА ИНДУКТОРА

Цель работы: исследование зависимости активного и внутреннего реактивного сопротивления провода индуктора от частоты.

2.1. Прохождение тока по проводникам

Возьмем прямолинейный проводник кругового сечения очень большой длины, по которому протекает постоянный ток. Распределение постоянного тока по сечению проводника происходит равномерно, т. е. плотность тока в любой точке сечения проводника одинакова. Направлена плотность тока вдоль оси проводника, а числовое значение ее равно току, протекающему по проводнику, деленному на площадь сечения проводника.

Магнитное поле, созданное током, будет существовать как в пространстве, окружающем проводник, так и в самом проводнике.

Линии напряженности поля в плоскости, перпендикулярной к оси проводника, будут представлять концентрические окружности с центром, совпадающим с осью проводника. В любой точке такой окружности напряженность поля касательна к окружности.

Пропустим теперь по проводнику переменный ток. В этом случае распределение тока по сечению проводника будет неравномерным. Наибольшая плотность тока будет в точках, лежащих на поверхности проводника, наименьшая – на его оси. На рис. 2.1 показано распределение переменного тока по сечению проводника. Зачернены места наибольшей концентрации тока. Кривые показывают распределение магнитного поля и тока. Явление неравномерного распределения переменного тока по сечению проводника носит названиеповерхностногоэффекта.

Источник электроэнергии создает в проводнике переменное электрическое поле. Напряженность этого поля во всех точках сечения проводника

8

вфиксированный момент времени одинакова. Но вследствие явления электромагнитной индукции кроме электрического поля, созданного источником,

впроводнике возникает электрическое поле, противоположно направленное, т. е. в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции.

Разделим мысленно поперечное сечение проводника на бесконечно малые элементы, через которые проходит ток. Тогда весь проводник с током будет состоять как бы из бесконечно тонких нитей тока. Нить тока, совпадающая с осью проводника, сцеплена с полным магнитным потоком, проходящим как внутри проводника, так и вне его. Нить же, лежащая на поверхности проводника, сцеплена лишь с внешним магнитным потоком. Поэтому напряженность электрического поля, возникающая вследствие индукции, на оси проводника будет больше, чем в нити, лежащей на его поверхности. Но плотность тока в проводнике обусловливается суммарным электрическим полем, получающимся в результате сложения поля, созданного источником электрической энергии, и поля, вызванного индукцией. Так как напряженности этих полей направлены навстречу друг другу, то суммарная напряженность электрического поля оказывается малой на оси проводника и большой на его поверхности. Соот-

9

магнитный поток, проходящий по телу проводника. Разность значений ЭДС самоиндукции по оси проводника и на его поверхности будет тем больше, чем больше магнитный поток, проходящий по телу проводника, т. е. чем больше радиус проводника.

Магнитное поле при его возникновении и исчезновении распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной конечной скоростью. Этой скоростью обусловлен интервал времени между одинаковыми, например амплитудными, значениями ЭДС самоиндукции, а, следовательно, и плотности тока в двух точках сечения, различно удаленных от центра проводника. Если в данный момент времени на поверхности проводника плотность тока достигла наибольшего значения, то в точках проводника, лежащих более глубоко, плотность тока уже прошла через наибольшее значение, т. е. в каждый данный момент времени значения плотности тока в точках сечения проводника, различно удаленных от центра проводника, будут отличаться по фазе. Может даже случиться, что в какой-то точке плотность тока будет направлена противоположно плотности тока на поверхности проводника.

При прохождении по проводнику постоянного тока, выделенная за единицу времени в виде тепла энергия равна произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника. При прохождении переменного тока такое сопротивление называют активным в отличие от индуктивного сопротивления, которое проявляется при наличии ЭДС самоиндукции, вызывающей уменьшение тока в проводнике вследствие обратного ее направления по отношению к ЭДС источника тока. Так как распределение тока по сечению проводника при переменном токе неравномерно, то при одном и том же сечении проводника активное сопротивление проводника переменному току будет иметь большее значение, чем сопротивление постоянному току.

Сечение проводника при переменном токе используется не полностью. Сопротивлениепроводникаr (Ом) постоянномутокурассчитываетсяпоформуле

rп γπlR2 ,

где l – длина проводника в осевом направлении, м; γ – удельная электропро-

водность материала проводника, (Ом м)–1; R – радиус сечения проводника, м. При переменном токе сопротивление возрастает. Коэффициент увеличения сопротивления, т. е. отношение активного сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току, будет тем выше, чем больше ча-

10