Учебное пособие 800600

УДК 621.313

А.Г. Штукин, Ю.В. Писаревский

НЕОРДИНАРНЫЕ СПОСОБЫ МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ

В данной статье будут рассмотрены различные способы магнитной левитации, атак же проблемы и конструкции связанные с этим эффектом

Ключевые слова: левитрон, магнитная левитация, магнитный подшипник, магнитный подвес

Все мы знаем из школьного курса физики, что существуют магниты, и то, что они могут как притягиваться, так и отталкиваться. И наверное каждый из нас задумывался, а можно ли сделать так, чтобы за счет этих эффектов заставить магнит или конструкцию из нескольких магнитов левитировать? Оказывается, используя только магниты и магнитомягкие материалы нельзя создать устойчивой левитации, но если к этому добавить динамические воздействия, в частности гироскопический эффект или использование токов Фуко, либо использовать диамагнитные материалы, то добиться устойчивой левитации вполне возможно. И проблемой левитации без затрат энергии интересуются уже не одно столетие. В XIX веке английский физик Самуэль Ирншоу сформулировал и доказал свою теорему для равновесия электростатических систем (которая является следствием теоремы Гаусса). Теорема Ирншоу формулируется так:«Всякая равновесная конфигурация точечных зарядов неустойчива, если на них кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания ничто не действует». Для решения большинства задач в физике ввели понятие магнитный заряд, и если рассматривать равноправие законов физики для электрических и магнитных зарядов, то теорему Ирншоу можно отнести и к магнитным задачам.

Для начала рассмотрим самые известные и простые способы магнитной левитации:

1. Использовать диамагнитные материалы. К диамагнетикам относятся такие материалы, у которых относительная магнитная проницаемость 0 ≤ μ< 1. Например, для сверхпроводников принимают μ = 0 (но это называется эффектом Мейснера), для пиролитического графита μ = 0,99955 и для меди μ = 0,999994.Для наглядности левитации достаточно всего лишь поместить диамагнетик в сильное магнитное поле, и если вес диамагнетика очень мал по сравнению с

141

силой вытеснения его магнитным полем, то он должен начать левитировать.

2. Использовать гироскопический эффект, или проще говоря сделать «левитрон». Левитрон (рис.1) представляет собою волчок, на ободок которого надет кольцевой магнит с осевой намагниченностью. Этот волчок раскручивают на подставке над большим кольцевым магнитом, после чего подставку убирают, и левитрон, сохраняя свой момент импульса, не меняет угла наклона своей оси, аналогично юле.

Рис. 1. Левитрон

3.Использовать токи Фуко. Для наглядности применения токов Фуко можно сделать следующее: скрутить спиралью любой провод, положить скрученный провод на медную или алюминиевую поверхность и пустить по проводу переменный ток и скрученный провод начнет левитировать из-за возникновения токов Фуко в поверхности, на которой он лежит.

4.Электромагнитные подшипники. Принцип действия наипростейшего электромагнитного подшипника заключается в том, что берутся несколько электромагнитов, располагаются вокруг парамагнитной детали, которая должна левитировать, ставятся датчики положения, и датчики положения подают сигналы о том, какой электромагнит должен притягивать деталь сильнее, а какой слабее, для того, чтобы деталь продолжала левитировать.

Так же следует отметить, что возможен магнитный подвес с одной точкой контакта с неподвижным объектом, но это не является идеальной левитацией.

Теперь разберем один необычный и малоизвестный случай магнитной левитации. Берется большой кольцевой магнит с чередующимися полюсами (рис.2), сажается на вращающуюся платформу. После берется магнит с осевой намагниченностью и

142

помещается над вращающимся кольцевым магнитом, отпускается, и после чего он начинает левитировать. Причем левитация будет сопровождаться колебаниями магнита, и чем больше скорость вращения кольцевого магнита, тем меньше амплитуда колебаний магнита сверху. Из-за невозможности идеально равномерно намагнитить кольцевой магнит, получается, что один из полюсов будет действует слабее остальных, и магнит попадет в небольшую магнитную ямку, из-за этого он начнет вращаться.

Рис. 2. Принцип действия одного из вариантов магнитной левитации

При достижении левитирующим магнитом скорости вращения, близкой к скорости вращения кольцевого магнита, магнит сверху вылетит из данной системы.

Теперь рассмотрим следующую идею. Что будет, если вместо вращающегося кольцевого магнита сделать вращающееся магнитное поле без вращения магнита? Для примера возьмем шесть железных сердечников, прикрепим их к общему ярму и наденем на сердечники катушки (рис.3).

Для упрощения сделаем схему вида сверху (рис.4). Сделаем направление обмоток у всех катушек одинаковыми, после запишем формулы прикладываемых напряжений:

143

Рис. 3. Магнитный подвес

Рис. 4. Магнитныйподвес,видсверхувмоментвремениt=0с

Для примера примем момент времени t = 0, тогда получится, что электромагниты Aи Xобразуют два южных полюса, электромагниты Yи С образуют вместе один северный полюс, и электромагниты Bи Zтоже вместе образуют один северный полюс. И того получается чередование N – S – N – S. То есть в любой момент времени будет два южных и два северных полюса, которые будут вращаться с течением времени. Получается, что подобная конструкция эквивалентна

144

вращающемуся кольцевому четырёх полюсному магниту. Преимуществами такой конструкции в том, что вращается будет только магнитное поле и нет никаких датчиков, но недостатки в том, что есть потери в обмотках и слишком большой магнитный поток рассеяния, так же сложность в шихтовании магнитопровода.

Вполне возможен вариант конструкции объединения такого магнитного подвеса и асинхронного двигателя. Но асинхронный двигатель должен иметь большое номинальное скольжение, чтобы скорость вращения двигателя намного отставала от скорости вращения магнитного поля, иначе по рассказанной ранее причине подвес работать не будет. Либо же сделать независимыми магнитный подвес и любой бесконтактный двигатель.

Воронежский государственный технический университет

145

УДК 621.311

М.В. Хорошилова, Ю.А. Перцев, В.В. Орлов

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПОДВЕСНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Рассматриваются основные виды повреждений полимерных изоляторов и методы контроля и измерений

Ключевые слова: полимерный изолятор, виды повреждений изоляции, методы контроля и измерений, документы контроля

В процессе эксплуатации полимерных изоляторов возникают повреждений изоляции, которые могут привести к выходу их из строя. Это образование трека на поверхности полимерной защитной оболочки, приводящее к образованием сквозных трещин. Этот дефект изоляторов возникает только в районах с сильными загрязнениями. Второй вид повреждения связан с проникновением влаги в изолятор из-за дефектов, возникающих при изготовлении, а также при транспортировании изоляторов или монтаже. Кроме того, могут возникать интенсивные коронные разряды на оконцевателях изоляторов, которые классифицируется как повреждения. Но это, как правило, связано с отсутствием защитных экранов, неправильным их выбором или установкой.

Поэтому состояние изоляторов в процессе эксплуатации необходимо постоянно контролировать.

Повреждения полимерных изоляторов проявляются повышенным нагревом их изоляционной части, а также возникновением коронных разрядов на поверхности изоляторов.

При проведении контроля осмотру подвергаются изоляторы, а также арматура и участки проводов вблизи узла подвески на всех опорах, где установлены изоляторы. Контролируется температура изоляционной части изолятора. При повреждении изолятора наиболее вероятно повышение температуры в нижней части изолятора вблизи оконцевателя. При сильной степени повреждения область повышенного нагрева может располагаться на удалении от оконцевателя. При этом вблизи оконцевателя нагрев отсутствует. Контролируются коронные разряды на поверхности изоляционной части изолятора, а также на оконцевателях, экранных дисках,

146

защитных экранных, арматуре подвески и проводах. Для проведения тепловизионного контроля рекомендуется применять тепловизоры с техническими характеристиками не хуже, указанных ниже: спектральный диапазон 8-14 мкм, угол поля зрения объектива, не более 12°, мгновенное поле зрения, не более 2 мрад, порог температурной чувствительности, не более 0,1 °С при 25 °С. Для проведения оптического контроля рекомендуется применять электронно-оптический дефектоскоп с цифровой фотоприставкой.

Экспертные оценки степени повреждения изоляторов основываются на обобщении опыта эксплуатации и результатах лабораторных исследований поврежденных полимерных изоляторов.

Контролируется проникновение воды в изолятор, повреждения стержня вблизи оконцевателя без образования или с образованием дендритов по границе раздела, эрозия защитной оболочки; сохранение исходных показателей по электрической и механической прочности, возникновение коронных разрядов. После этого прогнозируемый ресурс работы до разрушения.

По результатам контроля оформляются протокол, который должны содержать сведения об объекте контроля и цель проведения контроля, методы контроля и измерений, оборудование и приборы для контроля, условия при проведении контроля; результаты контроля, выводы и рекомендации.

Сведения об объекте контроля должны включать: паспортные данные ЛЭП, тип полимерных изоляторов (изготовителя) и дату их установки на линии, сведения об имевших место повреждениях (отказах) изоляторов.

Результаты контроля должны быть представлены в виде дефектной ведомости изоляторов на ЛЭП с указанием: номера опоры, расположения дефектного изолятора на опоре, признаков повреждения (место повышенного нагрева, превышение температуры, наличие и место возникновения коронных разрядов).

Воронежский государственный технический университет Московский государственный университет путей сообщения

147

УДК 621.31

И.В. Енин, Т.Л. Сазонова, С.А. Горемыкин

ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИКИ В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Рассматриваются вопросы генерирования высших гармоник нелинейной нагрузкой, их влияние на работуэлектрооборудования

Ключевые слова: высшие гармоники, импульсные источники питания, системы электроснабжения

Развития техники отразилось на работе систем электроснабжения. Практически каждый прибор потребляющий энергию имеет импульсный источник питания и является нелинейной нагрузкой. Импульсный источник питания – это инверторная система, где входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности. В импульсный источник питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Функционирование диодного моста и сопутствующего сглаживающего конденсатора имеют не линейную природу. Ожидаемая синусоидальная волна на пике начинает напоминать прямоугольный импульс. Сплющенная форма напряжения содержит основную выходную составляющую напряжения, плюс 3-ю, 5-ю, 7-ю, 9-ю и выше гармоники напряжения. В нелинейной нагрузке полное сопротивление изменяется вместе с приложенным напряжением. Изменяя полное сопротивление устройства, искаженный ток нелинейной нагрузки не будет синусоидальным, даже при синусоидальном напряжении. Эти несинусоидальные токи содержат в себе гармонические токи. Согласно гармоническому анализу импульсный источник питания создает 2 импульса тока, это основная гармоника и все нечетные гармоники (3, 5, 7, 9, 11 и т. д.). Каждая гармоника тока, в системе электроснабжения с нелинейной нагрузкой, будет протекать через полное сопротивление системы, вызывая падение напряжения. Величина падения напряжения подчиняется закону Ома

Uh = Ih Zh,

где Uh напряжение гармоники, порядка h; Ih амплитуда гармоники тока h; Zh – сопротивление.

148

Искажения напряжения приводит к большим потерям.

К источникам гармоник относятся: тиристорные контроллеры; частотные приводы; устройства плавного пуска двигателя; конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров); полупроводники; дуговая сварка; трансформаторы, реакторы; нелинейная нагрузка, искажающая форму кривой тока, что генерирует гармоники [1].

Влияние резонансов на системы

Резонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам. В случае возникновения резонанса гармонические токи достигают в конденсаторах значительных величин, что может вызвать их аварию из-за перегрева.

Влияние гармоник на вращающиеся машины

Высшие гармоники приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора: потери в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта (больше, чем определяемые омическим сопротивлением), токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора. В асинхронном двигателе с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и роторе высшие гармоники вызывают дополнительные потери в стали. Токи гармоник в статоре машины вызывают электродвижущую силу, приводящую к появлению на валу вращающих моментов обычно они очень малы, но могут привести к вибрациям вала двигателя. Среднее распределение потерь от высших гармоник характеризуется следующими данными; обмотки статора 14 %; цепи ротора 41 %; торцевые зоны 19 %; асимметричные пульсации 26 %. За исключением потерь на асимметричные пульсации их распределение в синхронных машинах приблизительно аналогично.

Влияние гармоник на статическое оборудование

Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям мощности и падению напряжения. В кабельных линиях гармоники

149

напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля. В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине могут вызывать увеличение потерь на корону.

Гармоники напряжения мешают централизованному телеуправлению, использующему частоты того же порядка, что и гармоники. Если эти частоты близки, то необходимо, чтобы телеуправление имело такую селективность, при которой не появлялся бы риск ложного срабатывания даже в том случае, когда частота Гармоники тока вредны из-за явлений индукции, которые они производят в параллельно проходящих цепях, цепях телеграфных и особенно телефонных линий. И все же в нормальном режиме влияние гармоник высшего порядка будет чувствительным только тогда, когда они достигнут коэффициентов более высоких, чем обычно. В случае появления гармоники 3-го порядка при коротких замыканиях нарушения нормальной работы телефонно-телеграфных цепей, близких к аварийной линии, могут быть весьма вероятны

Влияния высших гармоник на трансформаторы

Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали, а так же потерь в обмотках. Кроме того, влияние гармоник проявляется в трансформаторах, соединенных в звезду, когда нейтраль этой звезды изолирована от земли. Если в сети существует другой трансформатор, нейтраль которого заземлена, то для гармонических токов 3-го и 9-го порядков, которые являются униполярными, нет замкнутого пути. И в транс-форматорах с изолированной нейтралью появляются гармони-ческие напряжения, которые могут достичь величин, опасных для изоляции.

Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в преобразовательном трансформаторе, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоники тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавливать большую мощность трансформатора. Наблюдаются также локальные перегревы бака трансформатора. Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.

150