Исследование параметров магнитного поля в рабочей камере индуктора

Введение. В сельском хозяйстве множество технологических процессов включают операцию обеззараживания. Такие процессы связаны, главным образом, с обеззараживанием сточных вод, сельскохозяйственных отходов и типичны для животноводства, птицеводства и рыбоводства.

Поскольку результаты технологических процессов, включающих операцию обеззараживания, определяются характером электромагнитного поля, создаваемого индуктором, то исследование соответствующих свойств индуктора крайне актуально.

Несмотря на определённые успехи в исследовании вопроса применения эффектов электромагнетизма в сельском хозяйстве (Логвиненко Д. Д. [1], Вершинин Н. П. [2] и их последователи), завершённой теории индукторов до настоящего времени нет. Известно, что характеристики магнитного поля (МП) определяются свойствами индуктора и оказывают большое влияние на качество и длительность протекающего в нём технологического процесса [3, 4, 5]. Однако вопрос исследования свойств рабочей камеры индуктора, позволяющий выделить зону наиболее активного воз- действия МП на технологический материал, до настоящего времени изучен недостаточно. Также неизвестны математические модели, позволяющие адекватно определить параметры МП в рабочей камере.

Поэтому экспериментальное исследование параметров МП в рабочей камере индуктора является актуальным вопросом, решение которого и составляет цель данной работы.

Экспериментальные исследования. Рассмотрен индуктор конструкции Вершинина Н. П. [6], схема которого представлена на рис. 1.

7        2                        3

ВидА

Рис. 1. Схема индуктора:

1 — рабочая камера; 2 — обмотки; 3 — корпус

Индуктор представляет собой статор, генерирующий вращающееся переменное электромагнитное поле. Состоит он из корпуса 3, внутри которого расположен цилиндрический сердечник 2 из ферромагнитного материала с электрообмотками, смещёнными друг относительно друга на угол 120˚ в пространстве, в отверстии которого вставлена труба 1 из парамагнитного материала.

МП определяется его интенсивностью, направленностью и однородностью. Для характеристики интенсивности воздействия магнитного поля используются следующие физические величины: магнитный поток, напряжённость, магнитная индукция.

Наиболее информативной характеристикой МП является магнитная индукция (МИ) — векторная величина В в Тл, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке.

Представительно определяется средневыпрямленное значение МИ, которое позволяет минимизировать систематическую погрешность, поскольку исследуемое устройство работает с синусоидальным напряжением. Соответственно, в качестве параметров, характеризующих МП в рабочей камере индуктора, принимаются средневыпрямлен-ные значения радиальной B m ^р и осевой B m ^о составляющих МИ.

Анализ литературных источников [1–9] и результаты предварительных исследований свидетельствуют, что величина МИ в рабочей камере индуктора зависит от:

• —    координаты точки измерения МИ;

• —    уровня активной мощности в электрической цепи индуктора (далее активная мощность);

В данном исследовании индуктор питается трёхфазным током промышленной частоты.

Кибернетическая модель системы, отображающая связи объекта исследования с параметрами, факторами и условиями, представлена на рис. 2.

Условия

Индуктор

Рис. 2. Блок-схема кибернетической модели системы. Варьируемые факторы:

l — расстояние от края индуктора, см; h — расстояние от центральной продольной оси индуктора, см; P — активная мощность, кВт. Условия: f — частота колебаний электрического тока, Гц. Параметры: В m ^Р и В mO — средневыпрямленные значения радиальной и осевой составляющих МИ

Машиностроение и машиноведение

Измерение значений МИ производилось портативным универсальным миллитесламетром ТПУ с датчиками Холла. Относительная погрешность измерений не превышала 3%.

Измерение МИ производилось по следующей методике. В рабочей камере индуктора в необходимом месте вдоль продольной оси измерения МИ закреплялась направляющая в виде трубы с высокой магнитной проницаемостью, что обеспечивало фиксированное перемещение датчика вдоль продольной оси.

Точка измерения МИ размещалась на трёх различных расстояниях от центральной продольной оси индуктора и перемещалась вдоль неё в пределах рабочей камеры.

Конструктивное исполнение индуктора позволяет устанавливать три уровня активной мощности.

За счёт нестабильности напряжения электрического тока в подводящей сети происходило некоторое изменение уровня активной мощности, которое не превышало 2%. Такая случайная погрешность устранялась серией опытов.

Для определения активной мощности фиксировались текущие значения фазового напряжения и силы тока в электрической цепи индуктора, а также косинус угла сдвига фаз напряжения и тока — соs φ.

Измерение значений контролируемых параметров и их первичная обработка осуществлялись с использованием контрольно-измерительного комплекса (КИК), созданного авторами, и представленного на рис. 3. Все средства измерения, использованные в процессе исследования, сертифицированы и поверены.

Рис.3. Блок-схема КИК: 1–1; 1–2; 1–3 — датчики измерения фазового напряжения электрического тока на входе индуктора U_Ф в В ; 2–1; 2–2; 2–3 — датчики измерения фазовой силы электрического тока на входе индуктора I_Ф в А; 3 — датчик измерения частоты колебания электрического тока f в Гц;

4 — датчик измерения магнитной индукции В m в мТл; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; К — компьютер

План эксперимента представлен в таблице 1.

Таблица 1

План эксперимента

№ опыта	Значения активной мощности, кВт	Ось измерения	Составляющая МИ
1	5	0-0	Радиальная
2	5	0-0	Осевая
3	5	1-1	Радиальная
4	5	1-1	Осевая
5	5	2-2	Радиальная
6	5	2-2	Осевая
7	3	0-0	Радиальная
8	3	0-0	Осевая
9	3	1-1	Радиальная
10	3	1-1	Осевая
11	3	2-2	Радиальная
12	3	2-2	Осевая
13	2	0-0	Радиальная

14	2	0-0	Осевая
15	2	1-1	Радиальная
16	2	1-1	Осевая
17	2	2-2	Радиальная
18	2	2-2	Осевая

Для уменьшения систематических ошибок применялась рандомизация. Каждый опыт дублировался три раза. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась в автоматизированном режиме с использованием программных комплексов Statistica 6.0.

Обсуждения и результаты. Анализ результатов опытов, частично представленных на рис. 4, позволил установить:

• —    значения радиальной и осевой составляющих МИ в рабочей камере индуктора не являются постоянными величинами;

• —    радиальная составляющая МИ на участке 0–25 равна, или приблизительно равна, нулю. На участке 25–40 резко возрастает до максимума. На участке 40–90 остаётся постоянной. На участке 90–115 резко убывает, а на участке 115–130 равна, или приблизительно равна, нулю;

• —    максимальные значения МИ на участке 40–90 обусловлены конструктивной особенностью индуктора, а именно — наличием на этом участке ферромагнитного сердечника. Анализ вышеизложенных фактов позволил выделить зону наиболее активного воздействия магнитного поля, которая может быть принята за рабочую зону индуктора;

• — возрастание и убывание значений МИ на участках 25–40 и 90–115 обусловлено краевыми эффектами, возникающими на концах сердечника;

— значения осевой составляющей МИ изменяется, примерно, аналогично изменениям радиальной составляющей МИ.

— средние значения радиальной составляющей на участке 40–90 равны 61,6 мТл, а осевой — 3,9 мТл, что составляет всего 6,3 % от значения радиальной составляющей.

Рис. 4. Результаты опытов

Анализ результатов опытов, частично представленных на рис. 5, позволил установить, что удаление координаты измерения относительно центральной продольной оси индуктора (рис.1) не оказывает существенного влияния на значения МИ.

Машиностроение и машиноведение

Расстояние от левого края сменной втулки I, см • Опыт 1  * Опыт 5

Рис. 5. Результаты опытов

Проверка полученных значений оценок дисперсий МИ на участке 40–90 для всех опытов на однородность по критерию Кохрена показала, что при выбранном уровне значимости α = 0,05 расчетное значение G_р меньше критического значения G_к [10], следовательно, гипотеза об однородности МП в рабочей зоне индуктора справедлива.

Анализ результатов опытов, частично представленных на рис.6, позволил установить, что с увеличением уровня активной мощности значения МИ в рабочей камере возрастают до магнитного насыщения материала сердечника.

Расстояние от левого края сменной втулки Z, см

—•—Опыт 1   * Опыт 7 —■—Опыт 13

Рис. 6. Результаты опытов

Выводы.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие заключения:

— магнитная индукция в рабочей зоне (на участке индуктора 40–90) однородна;

— значения радиальной составляющей МИ значительно превосходят значения осевой составляющей.

Проведенное исследование позволило оценить влияние собственных свойств индуктора на интенсивность МП и перейти к дальнейшим исследованиям влияния МП на технологический материал. Полученные результаты важны как при проектировании новых индукторов, так и для повышения эффективности уже эксплуатируемых устройств.