ИССЛЕДОВАНИЕ  ЗАВИСИМОСТИ  КОЭФФИЦИЕНТА  ПОДАВЛЕНИЯ  ТОРРОИДАЛЬНОЙ  КАТУШКИ  ИНДУКТИВНОСТИ  С  МАГНИТНЫМИ  ЭКРАНАМИ  ОТ  ЧАСТОТЫ  ПРОПУСКАЕМОГО  ПО  НЕЙ  СИГНАЛА

Корнев  Игорь  Александрович

студент  5  курса,  кафедра  физики  полупроводников  СГУ,  РФ,  г.  Саратов

Email :  sennsey51@gmail.com

Тимофеев  Антон  Игоревич

студент  5  курса,  кафедра  прикладной  физики  СГУ,  РФ,  г.  Саратов

Шаповалов  Александр  Степанович

научный  руководитель,  д-р  физ.-мат.  наук,  профессор,  зав.  кафедрой  прикладной  физики  СГУ,  РФ,  г.  Саратов

1.  Введение.

В  подвижных  средствах  электрического  транспорта  для  снижения  уровня  помех,  создаваемых  двигателем  и  другим  электрооборудованием,  используются  так  называемые  реакторы  помехоподавления  [2]  —  устройства,  обладающие  высокими  значениями  индуктивности  и  способные  пропускать  токи  большой  величины.  Основной  функцией  таких  устройств  является  пропускание  с  минимальными  потерями  потребляемого  средствами  электрического  транспорта  постоянного  тока  с  одновременным  максимальным  снижением  сопровождающих  его  гармоник  переменного  тока  в  широком  диапазоне  частот.

Одной  из  основных  задач  при  создании  реакторов  помехоподавления  является  минимизация  их  габаритов,  массы  и  стоимости  [2].  В  настоящей  работе  была  предпринята  попытка  решить  эту  задачу  за  счет  введения  в  конструкцию  реакторов  магнитных  экранов,  минимизирующих  внешние  магнитные  поля  рассеивания  основы  реактора  —  катушки  индуктивности.  При  этом  введение  экрана  компенсировало  минимизацию  количества  витков  катушки,  что  и  обеспечивало  снижение  ее  габаритов  и  массы.

В  настоящей  работе  проводится  экспериментальное  исследование  зависимости  индуктивности  реакторов  и  их  частотных  характеристик  подавления  [1]  от  количества  витков  катушек  индуктивности  и  параметров  магнитных  экранов.

2.  Исследование  зависимости  величины  индуктивности  от  количества  витков  катушек  индуктивности  и  параметров  магнитных  экранов.

Индуктивность  катушек  реакторов  помехоподавления  измерялась  с  помощью  цифрового  измерителя  RLC  Е7-8.  С  помощью  этого  прибора  измерялся  и  комплексный  импеданс  реакторов.

В  качестве  объектов  измерения  использовались  катушки  с  разным  количеством  витков  (12,  18  и  24)  и  с  различным  количеством  магнитных  экранов.

Каждая  катушка  представляла  собой  отрезок  соленоида  из  медного  провода  сечением  50  мм²,  намотанного  на  основание  диаметром  195  мм,  а  затем  снятого  с  него  и  зафиксированного.  После  фиксации  витков  (стягивания  их  лентой  друг  с  другом)  вокруг  сечения  катушки  обматывалась  лента  из  электротехнической  (трансформаторной)  стали,  образовывая  магнитный  экран  [2].

Внешний  вид  исследуемых  катушек  с  максимальным  количеством  установленных  на  них  магнитных  экранов  (по  8  на  каждой  катушке)  представлен  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Внешний  вид  и  ориентировочные  размеры  реактора  помехоподавления

Результаты  измерений  представлены  кривыми  1÷3  на  рис.  2.  Каждая  кривая  отражает  изменение  индуктивности  одного  из  типов  катушек  в  зависимости  от  числа  магнитных  экранов.  Для  сравнения  пунктирными  линиями  (см.  кривые  4,5)  представлено  значения  индуктивности  прототипов  исследуемых  катушек  —  «воздушных»  (без  магнитных  экранов)  катушек  с  существенно  большим  числом  витков  токопровода  (соответственно  25  и  40).

В  результате  этих  измерений  была  показана  принципиальная  возможность  существенного  (минимум,  в  2,2  раза)  снижения  количества  витков  катушки  из  токопровода  за  счет  использования  магнитных  экранов  [3].  При  этом  удалось  даже  несколько  увеличить  значения  индуктивности  каждой  из  исследуемых  катушек.  Однако  для  окончательного  решения  вопроса  о  применимости  такого  подхода  к  минимизации  массогабаритных  характеристик  реакторов,  представлялось  необходимым  экспериментально  сравнить  частотные  характеристики  подавления  исследуемых  катушек  индуктивности  [2]  с  различным  количеством  витков  токопровода  и  различным  числом  магнитных  экранов  с  катушками  существующих  на  данный  момент  серийно  выпускаемых  изделий.

Рисунок  2.  Результаты  измерения  зависимости  индуктивности  всех  типов  исследуемых  реакторов  от  числа  магнитных  экранов

3.  Экспериментальное  исследование  частотных  характеристик  подавления.

Для  измерения  частотной  характеристики  подавления  реакторов  была  собрана  схема,  представленная  на  рисунке  3  [1].  В  качестве  основных  приборов  в  нее  входили  генератор  сигналов  низкочастотный  Г3-112  и  осциллограф  DSO  5034A  (300  MHz).

Рисунок  3.  Измерительная  схема  для  определения  частотных  характеристик  подавления:  L   —  испытываемый  радиореактор;  G  —  генератор  гармонических  сигналов;  R  =  55  Ом  —  нагрузочный  резистор

Измерения  проводились  в  диапазоне  частот  от  100  Гц  до  10  МГц.

На  рис.  4,  5,  6  представлены  частотные  характеристик  исследуемых  образцов  реакторов  помехоподавления  с  числом  витков  катушки  соответственно  12,  18  и  24  витка.  На  каждом  из  этих  графиков  представлено  по  3  частотных  зависимости  для  каждого  из  реакторов,  измеренных  для  каждой  из  катушек  с  различным  числом  магнитных  экранов  (0,  4  и  8).

Рисунок  4.  Частотная  характеристика  подавления  образца  реактора  с  12  витками  катушки  индуктивности:  кривая  1  —  для  катушки  без  магнитных  экранов,  2  —  с  4  магнитными  экранами,  3  —  с  8  магнитными  экранами 

Рисунок  5.  Частотная  характеристика  подавления  образца  реактора  с  18  витками  катушки  индуктивности:  кривая  1  —  для  катушки  без  магнитных  экранов,  2  —  с  4  магнитными  экранами,  3  —  с  8  магнитными  экранами

Рисунок  6.  Частотная  характеристика  подавления  образца  реактора  с  24  витками  катушки  индуктивности:  кривая  1  —  для  катушки  без  магнитных  экранов,  2  —  с  4  магнитными  экранами,  3  —  с  8  магнитными  экранами

Для  сравнения  полученных  характеристик  с  характеристиками  прототипов,  построенных  на  основе  «воздушных»  катушек  (без  магнитных  экранов),  наиболее  близкие  к  прототипам  частотные  характеристики  образцов  сведены  на  общие  графики:

·     воздушная  катушка  с  общим  количеством  витков,  равным  40,  сравнивается  с  катушками  с  18  и  24  витками  с  различным  числом  магнитных  экранов  (рисунок  7);

·     воздушная  катушка  с  общим  количеством  витков,  равным  25,  сравнивается  с  катушками  с  12  и  18  витками,  также  с  различным  числом  экранов  (рисунок  8);

Рисунок  7.  Сравнение  частотных  характеристик  подавления  воздушной  катушки  с  общим  количеством  витков,  равным  40  (кривая  1),  с  наиболее  соответствующими  ей  частотными  характеристиками  исследуемых  реакторов

Рисунок  8.  Сравнение  частотных  характеристик  подавления  воздушной  катушки  с  общим  количеством  витков,  равным  25,  с  наиболее  соответствующими  ей  частотными  характеристиками  исследуемых  реакторов

Проведенный  анализ  показывает,  что  по  совокупности  характеристик  реактор  без  магнитных  экранов  с  общим  количеством  витков,  равным  40,  может  быть  заменен  на  исследуемый  образец  с  18  витками  катушки  и  8  магнитными  экранами,  при  этом  будет  реализован  весьма  существенный  запас  по  коэффициенту  подавления  во  всем  исследуемом  диапазоне  частот.  На  образце  с  12  витками  катушки  и  8  магнитными  экранами  в  большей  части  диапазона  частот  коэффициент  подавления  также  выше,  чем  на  прототипе  (воздушной  катушке  с  общим  количеством  витков,  равным  25)  кроме  частотной  области  (от  ~  80  кГц  до  ~  1,5  МГц),  где  он  несколько  меньше.  Однако  в  наиболее  важной  (для  этих  типов  устройств)  области  частот  выше  1,5  МГц,  коэффициент  подавления  высших  гармоник  [1]  исследуемого  образца  выше,  чем  у  прототипа. 

Причем,  судя  по  полученным  зависимостям,  у  исследуемых  образцов  с  магнитными  экранами  отсутствуют  в  этой  области  достаточно  высокодобротные  резонансы,  имеющиеся  у  их  прототипов  на  основе  «воздушных»  катушек  (см.,  например,  рисунок  7).  К  положительным  результатам  следует  отнести  и  сдвиг  максимумов  коэффициентов  подавления  в  более  высокочастотную  область. 

4.  О  насыщении  магнитных  экранов.

В  качестве  магнитных  экранов  использовалась  лента  из  электротехнической  стали  марки  3408,  сечением  0,35*3,5  мм,  достигающая  предельной  намагниченности  при  индукции  поля  ~  2,2  Тл  [1].  Практически,  заметное  изменение  свойств  сердечников  из  такого  материала  начинается  при  индукции  ~1,65  Тл.  Достигаемая  в  режиме  максимального  тока  —  400  А  индукция  поля  в  катушке  с  24  витками  достигает  максимального  уровня  0,237  Тл.  Это  почти  на  порядок  ниже  порогового  значения  магнитного  поля,  при  котором  имеет  место  сколь  либо  заметное  изменение  свойств  сердечников  из  упомянутого  выше  материала.  Таким  образом,  опасность  потери  магнитных  свойств  из-за  насыщения  сердечников  при  протекании  по  нему  постоянного  тока  фактически  отсутствует.

Заключение

В  результате  проведенных  экспериментальных  исследований  удалось  получить  достоверные  данные  о  влиянии  магнитных  экранов  на  индуктивность  тороидальных  катушек.  Показано,  что  количество  необходимого  для  получения  заданной  индуктивности  токопровода  при  использовании  магнитных  экранов  может  быть  уменьшено  в  несколько  раз.

Практическая  значимость  этой  работы  обусловлена  тем,  что  полученная  (за  счет  использования  магнитных  экранов)  возможность  уменьшения  числа  витков  катушек  индуктивности  реакторов  помехоподавления  позволила  значительно  снизить  массогабаритные  характеристики  реакторов,  а  соответственно  и  их  себестоимость.

Проверка  основной  функциональной  характеристики  реакторов  с  магнитными  экранами  –  их  частотных  характеристик  подавления  —  позволила  сделать  окончательный  вывод  о  целесообразности  описываемого  подхода.  К  тем  же  выводам  приводит  и  оценка  возможности  насыщения  экранов  при  протекании  по  токопроводу  рабочего  тока.

На  основе  проведенных  исследований  удалось  создать  два  типа  реакторов  помехоподавления,  широко  используемых  в  настоящее  время  в  отечественных  моделях  троллейбусов.

Список  литературы:

1.Калантаров  П.Л.,  Цейтлин  Л.А.  Расчет  индуктивностей:  Справочная  книга.  3-е  изд.,  перераб.  и  доп.  Л.:  Энергоатомиздат.  Ленингр.  отд-ние,  1986.  —  488  с.

2.Патент  на  полезную  модель  №  138345  «Устройство  для  подавления  помех  при  работе  подвижного  состава  городского  электротранспорта» 

3.Coil32.  Программа  расчёта  индуктивности  катушек.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL://  http//coil32.narod.ru/calculate-on-line.html  (Дата  обращения  01.04.2014).