9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

531

)3(

ωµ

−

For the last layer (half-space) Z

=iωµ/k

Detailed derivations of these formulas can be found

in [1,5]. It should be noted that equations (1-3) are

written in frequency domain, so the direct or inversed

Fourier transform should be used to convert between

time domain and frequency domain.

Earth conductivity models are defined as series of

layers representing the regional near-surface geology

(overburden, unconsolidated sediments, sedimentary

basin rock) and deeper Earth’s internal divisions (crust,

mantle).

The second part of assessment, power grid

modelling, is usually based on assumption that power

grid can be presented as a network of impedances

(usually resistances only) and does not have any effects

on the driving electric field. Power network modelling is

also well known, see for example [7], thus governing

equations will be described only briefly.

The currents (I), electromotive forces (E) and imped-

ances (Z) in the network are part of the matrix equations

derived from Kirchhoff’s laws, and can be written as

[

]

[

]

[

]

Z I = E

(4)

with the components of the impedance matrix Z

Ai i Bi

R R R

= + +

(5)

= ±

k ≠ i (6)

where the sign in (6) depending on whether a current I

is directed into or out of the ground, index i marks the

network loop with a line resistance R

and resistances to

ground are R

and R

, index k represents the neighbour-

ing loop. Right hand side of (4) represents the emf in the

line, obtained by integrating the electric field along the

length of the line. This is where geoelectric field, mod-

elled by layered earth approach, equations (1)-(3), is

coming into the network model. Currents then can be

obtained from (4) multiplying emf matrix by inversed

impedance matrix.

The third part of the assessment is model evaluation.

This can be done based on the mesurements of GIC at

the transformer-to-ground connection. In all further

graphs GIC data are expressed in relative units and no

details on the power grid locations will be given as it is

proprietary information.

The samples of the two data sets recorded during the

same geomagnetic storm at different power grids located

at different latitudes are shown on Figs 1a, b. It should

be noted, that recording site A is located at high latitudes

(53E), recording site B is located at mid-latitude (45E).

Fig. 1 a) GIC and magnetic field recordings at high

latitude

Fig. 1 b) GIC and magnetic field recordings at mid

latitude.

The amplitudes of GIC in both sites are comparable

and are ~120 A, the amplitudes of magnetic field

variations at the high latitude are ~ 1000 nT, while at

mid latitude are ~500nT.

Geoelectric field assessment

In order to evaluate geoelectric field, the ground

conductivity model should be used with geomagnetic field

time observations. It is known that variations of

geomagnetic field are larger and occur more often in the

two bands around the magnetic poles of the Earth, so called

“auroral zones” because in these areas interaction between

earth magnetic field and disturbances from the sun are

stronger [8]. Similarly, variations of the Earth geoelectric

field are larger in the corrensponding area. Fig 2 shows the

statistical map of the occurences of the different levels of

the geoelectric field for Canada. The map has been

produced results of geoelectric field modelling.

Fig. 2. Statistical map of geoelectric field levels for

Canada.

532

On the map, geoelectric field levels are defined as the

annual percentage of the time when variations are above

the normal level of 20 mV/km. Elevated ground electric

field variations occur for a quarter of the year in the

auroral zone, whereas it varies from 15 percent (4.5

times per month) down to just a few percent (one

occurrence per two months) in lower latitudes. Thus, it is

expected that GIC at power grids in the auroral zone will

be larger that in the mid latitudes. At the same time the

example presented in Figs. 1a,b. shows that it is quite

possible when GIC at the particular site of the power

grid located at auroral zone (site A) can be the same as

GIC at other site at other power grid, located at lower

latitude (site B).

GIC in power grid

As has been shown in previous paragraph, the fact

that geoelectric field is higher in a region does not

immediately mean that GIC will be larger at the

substation in the region. In order to demonstrate the

importance of the second step in GIC assessment, i.e.

power grid modelling, some examples are shown below.

Fig.3. Geomagnetically induced currents (top-recorded

data, bottom-modelling results) at the substation 46E

Northern latitude.

The example power grid extends east-west e, thus

located at approximately the same latitude (mid-

latitude). Therefore, significant changes in modelling

results and data will be mostly due to the network con-

figuration.

Fig.4. Geomagnetically induced currents (top-

recorded data, bottom-modelling results) at the

substation 43E Northern latitude.

Results of the modelling for particular geomagnetic

storm are shown on Figs 3,4 and 5 for different location of

the sites in the same power grid (bottom plots) together

with the data (top plots) recorded at the same sites.

Fig.5. Geomagnetically induced currents (top-

recorded data, bottom-modelling results) at the

substation 49E Northern latitude.

As can be inferred from the plots, GIC at site1 and

2 are the same in amplitude despite 3E difference in lati-

tude, while site 3 shows much stronger GIC in compari-

son with site 1, although the latitude difference is 4E.

Thus, the additional factor on the amplitude variations is

network configuration at site 3. For example, the resis-

tance to ground, location at the corner of the line, the

number of transformers at this particular site might be

additional reason to have larger GIC.

Fig. 6. Geomagnetically induced currents (top-

recorded data, bottom-modelling results) at the power

grid at Northern latitudes.

For the completeness, Fig 6 represents the GIC

modeled and recorded at the substation A of a different

power grid, located at the Northern latitudes (presented

also in Fig, 1a). This shows much larger GIC during the

same geomagnetic storm.

Discussion and Conclusions

A combination of geoelectric field models with

power grid network models can provide an estimate of

the GIC in the system and, therefore, disclose the most

533

vulnerable parts of the network which would help in the

assessment of the hazardous effects of the geomagnetic

storms on critical infrastructure.

Provided modeling results are comparable with the

GIC measurements at the mid-latitude power grid (Figs

3-5). At the same time comparison of the modeling re-

sults with recorded data in a different power system (lo-

cated at high latitudes, Fig. 6), shows deficiencies in the

modeling results. For example, bursts of GIC variations

at 18:45 and 20:20 UT in the data do not have similar

character in the modeling results.

Although there are several reasons for power net-

work model to be not exact, as has been pointed out in

[9, current issue], the differences between displayed

modeling results and data most likely came from the

frequency-dependent part of the modeling, i.e. geoelec-

tric field.

There are two possible sources of this frequency-

dependent modeling deficiency.

One comes from the fact that geomagnetic meas-

urements were done at the location of the geomagnetic

observatory and therefore is different from the geomag-

netic field at the location of the GIC monitoring site due

to the difference in the external (ionospheric) source of

the geomagnetic variations.

Another source is frequency-dependent Earth con-

ductivity model. In the approach widely used, the Earth

conductivity is represented as a series of layers. Al-

though such an approach avoids geological complexity,

this one-dimensional model is unlikely to represent the

true conductivity of the underlying Earth, which varies

in rock type and thickness both vertically and laterally.

Improvements in geoelectric field modeling or use

of the direct measurements of the geoelectric field for

GIC modeling should significantly improve modeling

results.

References

Severe Space Weather Events--Understanding

Societal and Economic Impacts, Workshop Report,

Na-

tional Academy of Sciences, Committee on the Societal

and Economic Impacts of Severe Space Weather Events,

National Research Council, ISBN: 978-0-309-12769-1,

2008 (Free Executive Summary at

http://www.nap.edu/catalog/12507.html).

2. High-Impact, Low-Frequency Event Risk to the

North American Bulk Power System, A Summary Re-

port of the North American Electric Reliability Corpora-

tion and the U.S. Department of Energy’s Workshop,

June 2010. ( http://www.NERC.com )

3. Kaufman A. A. and G. V. Keller, The magneto-

telluric sounding method (Methods in geochemistry and

geophysics; v.15), pp.187-192, Elsevier Publ. Co., Am-

sterdam-Oxford-New York, 1981.

4. Weaver, J.T., Mathematical methods for geo-

electromagnetic induction, Research Studies Press LTD,

Taunton, Somerset, England, 1994.

5. Trichtchenko, L. and D.H. Boteler. Modeling of

geomagnetic induction in pipelines, Ann. Gephys., 20,

1063-1072, 2002.

6. Ferguson I. J. and Odwar H. D., Review of con-

ductivity soundings in Canada, vol 3, Geomagnetic Haz-

ard Assessment, Phase II, Geological Survey of Canada,

Open File No 3420, 1997.

7. M.J.H. Stirling, Power System Control, Peter

Peregrinus Ltd, London, 1978.

8. H.C. Carlson and A. Egeland. The aurora and au-

roral ionosphere, in Introduction to Space Physics, ed. by

M. G. Kivelson and C.T. Russel, Cambridge University

Press, 1995

9. Pirjola, R., D. Boteler, L.Trichtchenko, M.Wik,

Details included in the calculation of geomagnetically

induced currents in electric power transmission net-

works, current issue of Proceedings.

Секция 8

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Section 8

BIOLOGICAL EFFECTS OF ELECTROMAGNETIC FIELDS

537

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В

ИНДУКТИРУЮЩИХ СИСТЕМАХ

А.

Н.

ВАНОВ

ОССИЯ

В.

А.

УКАНИН

ОССИЯ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ), e-mail: ANIvanov@mail.eltech.ru

Аннотация. Электромагнитные поля (ЭМП) в сильноточных индуктирующих системах для многих

технологических или медицинских целей могут быть с одной стороны вредными или опасными, а с

другой стороны – полезными. В работе приводятся результаты исследований отрицательных и поло-

жительных эффектов магнитных полей. Хорошо известными проблемами для индукционных устано-

вок являются паразитные внешние магнитные поля, вибрация и шум, самопроизвольное перемеще-

ние и разгрузка заготовок из индуктора и др. Можно говорить как о биоэлектромагнитной совмести-

мости, так и о электромагнитно-механической совместимости подобных систем. Проблемы биоэлек-

тромагнитной совместимости рассмотрены для технологического персонала, а также для медицин-

ского персонала магниторезонансных томографов (МРТ). Имеется идея преобразовать отрицатель-

ные электромагнитные силы в положительные. К примеру, ЭМП могут быть использованы в качест-

ве средства контролируемого перемещения нагреваемых изделий, т. е. электромагнитного привода.

Abstract. Electromagnetic fields (EMF) in high current induction systems for many technological or medi-

cal purposes can be on the one hand harmful or dangerous factor, on the other hand – useful factor. Results

of investigation both negative and positive effects of magnetic fields are presented in this paper. Well known

problems for industrial induction heaters are leakage external magnetic field, vibration and noise, spontane-

ous motion and unloading of workpieces from inductors, etc. We may speak about bioelectromagnetic and

electromagnetic-mechanical compatibility of such systems. Problems of bio-electromagnetic compatibility

for electro-technological personnel, as well as for the medical personnel of modern Magnetic Resonance Im-

aging (MRI) were considered. There are some ideas to transform the negative electromagnetic forces into

positive. For example EMF can be used as one of means for controllable moving of workpieces, e. g. elec-

tromagnetic driver or actuator.

Введение

Индуктирующие системы используются для

различных технологических процессов, а также в

медицине, в частности в магниторезонансной томо-

графии. Благодаря большой силе тока, достигающей

несколько десятков тысяч ампер, существуют неко-

торые проблемы, связанные с биоэлектромагнитной

совместимостью и электромагнитно-механической

совместимостью таких систем.

Первая проблема связана с внешними магнит-

ными полями, которые считаются паразитными и не

являются полезными по своей природе, но нераз-

рывно существуют наряду с внутренними, полезны-

ми, магнитными полями. Вторая проблема связана с

силовым воздействием магнитного поля и тока на

витки катушки и нагреваемые заготовки. Особенно

это заметно в низко- и среднечастотных индукцион-

ных нагревателях от 50 Гц до 10 кГц. Электромаг-

нитные усилия, действующие на катушку, создают

вибрацию витков, а они, в свою очередь – шум. Для

низкочастотных нагревателей в некоторых случаях

отмечены явления самопроизвольного движения за-

готовок внутри индуктора, что представляет серьёз-

ную опасность для обслуживающего персонала. Эти

проблемы приходится преодолевать на этапе проек-

тирования и испытания.

Проблемы биоэлектромагнитной совмести-

мости

Задачи обеспечения электромагнитной эколо-

гии, безопасности или биоэлектромагнитной совмес-

тимости обслуживающего электротехнологического

или медицинского персонала решались для индукци-

онных установок различного технологического на-

значения, а также для современных устройств магни-

торезонансной томографии. Если в промышленных

индукционных установках вопросы эти давно реша-

ются, имеется большое число публикаций, к примеру

[1 – 6], то в МРТ проблема всё ещё продолжает оста-

ваться непонятной и не исследованной в достаточной

мере. В основном считается, что МРТ является безо-

пасной системой исследования больных. Тем не ме-

нее, имеются специалисты, которые показывают, что

не всё так хорошо в области безопасности магнито-

резонансных томографов [6].

Опыт проектирования индукционных систем

позволяет сказать о задачах, которые могут быть

частично решены техническими средствами управ-

ления электромагнитным полем. Если они не подда-

ются решению или это решение требует больших

затрат, должны быть использованы организационные

методы защиты. Тот и другой вариант приемлемы,

однако требуются исследования каждого вида ин-

538

дуктирующей системы на этапе расчётного проекти-

рования, а также при вводе индукционной установки

в эксплуатацию.

Внешние магнитные поля, характерные для ин-

дуктирующих катушек больших размеров со значи-

тельной силой тока, распространяются на большие

расстояния и их можно рассчитать для выяснения

полной картины и анализа риска, отметив зоны

вредного и опасного воздействия, или измерить по-

сле изготовления и внедрения уже в процессе ис-

пользования. В работе приведены некоторые наибо-

лее характерные результаты исследований, выпол-

ненные для оценки проблемных вопросов электро-

магнитной безопасности работающего оборудования.

При этом рекомендовано составлять своеобраз-

ный электромагнитный портрет на каждую индукти-

рующую систему. Такая практика включения его в

техническое описание и инструкцию по эксплуата-

ции уже имеется, но недостаточно распространена.

Необходимость составления электромагнитных

портретов зон вредного влияния диктуется в первую

очередь не столько стандартными методами контро-

ля обеспечения безопасности людей в строго опре-

делённых точках (рабочих местах), сколько желани-

ем показать более подробно всю картину электро-

магнитной обстановки в зоне возможного пребыва-

ния людей. Электромагнитный портрет, разрабаты-

ваемый на основе нормируемых параметров интен-

сивности и энергетической нагрузки, фиксирует од-

новременно магнитную и электрическую состав-

ляющие как результат их совместного действия, по-

этому он не является обычным традиционным гра-

фиком параметров ЭМП.

Далее приведены электромагнитные портреты

зон вредного и опасного влияния внешнего магнит-

ного поля, создаваемого индуктирующими система-

ми, в частности магниторезонансным томографом,

питаемым постоянным током, и промышленным ин-

дукционным нагревателем частотой 50 Гц. Эти про-

блемы являются общими с точки зрения постановки

задачи и по способам их решения. Отличие состоит в

том, каковы допустимые нормы на магнитные поля,

то есть где искать границы опасности или вредности.

На рис. 1 приведены результаты численного мо-

делирования и составления электромагнитного порт-

рета одного из видов работающего МРТ с индукти-

рующей катушкой диаметром 1 м и длиной 1 м. Сна-

ружи катушки имеется магнитопровод. Внутри ка-

тушки индукция магнитного поля составляет 1 Тл.

Зоны вредного и опасного влияния ЭМП отмечены в

соответствии с нормами России.

Санитарное нормирование параметров постоян-

ного магнитного поля в России и странах Евросоюза

несколько различаются. В частности, в России сани-

тарно-эпидемиологические правила и нормативы

СанПиН 2.2.4.1191-03 устанавливают следующие

ограничения на напряжённость и индукцию магнит-

ного поля: максимальное значение напряженности

24000 А/м (0,03 Тл), а для полного восьмичасового

рабочего дня – 8000 А/м (0,01). В соответствующем

руководстве Международной комиссии по защите от

неионизирующих излучений установлены следую-

щие ограничения на величину напряжённости маг-

нитного поля: не более 163000 А/м (0,2 Тл) для про-

изводственных условий, для населения не более

32000 А/м (0,04 Тл).

Рис. 1. Электромагнитный портрет зон вредного

и опасного влияния МРТ с индукцией 1 Тл.

Анализируя полученные результаты, можно от-

метить следующее. Очевидно, что в томографах

сквозного типа может быть превышение действую-

щих нормативов в возможных зонах пребывания

пациента и обслуживающего медицинского персона-

ла. Расстояние, на котором могут возникнуть про-

блемы со здоровьем, составляет 130…220 см от ин-

дуктирующей системы. Особую озабоченность вы-

сказывают специалисты, знакомые с этими пробле-

мами [7]. Одно дело, если человек находится непод-

вижно в зоне постоянного магнитного поля. Если же

он двигается, магнитное поле перестаёт быть посто-

янным, а там нормы значительно жёстче. Безопасное

расстояние при этом значительно увеличивается.

На рис. 2 приведены результаты численного мо-

делирования и составления электромагнитного порт-

рета одного из промышленных индукционных нагре-

вателей частотой 50 Гц.

Рис. 2. Электромагнитный портрет зон вредного вли-

яния электромагнитного поля индукционной уста-

новки ИН1 – 150/0,05.

Зона

вредного

влияния

ЭМП

125 см

220 см

130 см

65 см

Зона полно-

го запрета

работы

0,9 м

0,6 м

0,8 м

Граница зоны

магнитного поля

= 400 А/м

2 м

Граница зоны

магнитного

поля H = 80 А/м

1,6

539

Также как и для МРТ, зоны вредного влияния

ЭМП этой установки находятся на расстоянии от

индуктора около 2 м. В этой зоне первоначально

разработчики установили пульт управления, вблизи

которого находился обслуживающий технологиче-

ский персонал. Впоследствии были использованы

некоторые технические средства снижения напря-

жённости магнитного поля (электромагнитный эк-

ран), а пульт управления перенесён за пределы зоны

вредного влияния. Таким образом, формирование

электромагнитного портрета помогло понять имею-

щиеся проблемы и наметить меры по исключению

несоответствия санитарным нормам. Ранее такой

проблемы для нагревателей промышленной частоты

практически никогда не возникало в связи со значи-

тельно большими значениями допустимой напря-

жённости магнитного поля по сравнению с новыми

СанПиН 2.2.4.1191-03, которые уменьшили их до

80 А/м.

Проблемы электромагнитно-механической

совместимости

С позиции безопасности можно говорить о элек-

тромагнитно-механической совместимости подоб-

ных систем. Наиболее острыми проблемами проек-

тирования мощных индукционных нагревателей яв-

ляются электродинамические усилия

, действую-

щие на проводниковые элементы системы, в которых

присутствуют магнитное поле и ток, определяемые

известным выражением

rot rot

F J

Β H Β B Β

= × = × = ×

r r r r r r r

где

vqJ

плотность электрического тока в провод-

нике,

– индукция магнитного поля.

Опыт проектирования и исследования показали,

что электромагнитные поля могут создавать значи-

тельные усилия, действующие на нагреваемую за-

грузку. Катушка индуктора в некоторых случаях ра-

ботает как электромагнит, втягивая изделия внутрь

себя, а в других случаях, как электромагнитная пуш-

ка, выстреливая заготовки массой сотни килограмм

из индукционной системы. Силу, действующую на

нагреваемое тело в направлении оси z, удобнее всего

определять взятием производной от электромагнит-

ной энергии по координате [8]. Выражение для силы

, действующей в направлении z, имеет вид

2ω2ω

)ω(

)(

∂

где W– электромагнитная энергия системы; L – ин-

дуктивность, ω – круговая частота, I – ток индуктора,

Q – реактивная мощность системы.

Используя специализированные для индукцион-

ных нагревателей программы расчёта на ЭВМ, была

получена зависимость усилия, действующего на за-

грузку от заглубления её в индуктор F

(dz), показан-

ная на рис. 3. В качестве объекта исследования был

выбран индуктор для нагрева концов утяжелённых

бурильных труб при питании от трансформатора

промышленной частоты напряжением 380 В. Пара-

метры индуктора: внутренний диаметр по меди

0,24 м, длина 1,8 м, число витков – 100, наружный и

внутренний диаметры трубы – 0,178 м и 0,08 м соот-

ветственно, длина трубы была взята равной 1,5 м,

материал – сталь 40ХН2МА.

Рис. 3. Зависимость F

(dz) для индукционного

нагревателя частотой 50 Гц 1 – в ферримагнитном

режиме, 2 – в немагнитном режиме

До потери трубой магнитных свойств электро-

магнитное поле втягивает трубу внутрь индуктора, а

индуктор представляет собой электромагнит. После

достижения точки Кюри и температур закалки маг-

нитное поле старается вытолкнуть загрузку из ин-

дуктора.

Применение ЭМП для контролируемого пе-

ремещения загрузки

Сделаны попытки преобразовать негативное си-

ловое воздействие магнитного поля и тока на нагре-

ваемые заготовки, связанное с самопроизвольным

выбросом их из нагревательной системы, в позитив-

ное силовое воздействие контролируемого переме-

щения загрузки внутри индуктора или системы ин-

дукторов [9].

Как видно из рис. 3, сила, действующая на

трубу в ферромагнитной стадии и втягивающая её в

индуктор, когда и так необходимо загрузить заго-

товку в индуктор, может достигать 700 Н. Усилие

вполне достаточно для преодоления сил трения в

поддерживающих направляющих или роликах. По

мере перемещения сила возрастает до 680 Н, а в

дальнейшем, когда заготовку необходимо остано-

вить, уменьшается до 400 Н. После нагрева до за-

данной температуры под закалку и потери магнит-

ных свойств появляется выталкивающая сила, кото-

рая может быть использована в электромагнитном

540

приводе. Эта сила уже значительно меньше, хотя

при определённых условиях и её можно использо-

вать для разгрузки трубы из нагревателя.

Практически не меняя самой системы, можно

добиться положительного эффекта. Тем не менее,

для создания системы электромагнитного привода в

большинстве случаев может потребоваться допол-

нительные индуктирующие устройства, которые

одновременно могут нагревать и перемещать за-

грузку. Особенно эффективны системы для нагрева

ферромагнитных заготовок свыше точки Кюри. В

данном случае на входе нагревателя магнитное поле

создаёт втягивающее усилие, а на выходе – вытал-

кивающее усилие, что обычно и необходимо для

непрерывного или непрерывно-последовательного

перемещения загрузки сквозь индуктор.

При использовании многофазных систем мож-

но создавать бегущее магнитное поле с достаточно

большими усилиями, что может способствовать

улучшению процесса контролируемого перемеще-

ния загрузки. Предварительные исследования пока-

зали принципиальную возможность преобразования

на первый взгляд негативного ЭМП в позитивное

электромагнитное поле.

Заключение

Выполненные исследования позволили устано-

вить зоны вредного и опасного влияния электромаг-

нитного поля некоторых индукционных электротер-

мических установок и МРТ, которые простираются

на значительные расстояния от индукционных сис-

тем. Исходя из представленных данных, можно ор-

ганизовать рабочие места обслуживающего персона-

ла во время проведения технологических процессов

нагрева заготовок и обследований пациентов. При

проектировании новых индуктирующих систем и

средств защиты от источников электромагнитного

поля, прежде всего, необходимо информировать об

опасности и возможном риске, строя электромагнит-

ные портреты зон вредного и опасного влияния

ЭМП. Что не удаётся сделать путём использования

технических мер защиты, в дальнейшем должно

быть обеспечено уже организационными мерами.

Расчёты и эксперименты показали, что сущест-

вует опасность самопроизвольного перемещения

заготовок внутри нагревателей и выброса их при не-

которых условиях. Усилия, действующие на загрузку

от электромагнитного поля и тока, могут быть ис-

пользованы и для положительных целей, то есть су-

ществует принципиальная возможность создания

электромагнитного привода перемещения заготовок

в индукционном нагревателе особенно при исполь-

зовании тока промышленной частоты, где усилия

достаточно большие. При этом электромагнитную

систему можно существенно не менять, а только ис-

пользовать для перемещения осевые электродинами-

ческие усилия, создаваемые самой индуктирующей

системой. Конечно, также как и в любой другой но-

вой технической системе, имеются сложности, кото-

рые в первую очередь связаны с характером распре-

деления сил, с их недостаточностью или в некоторых

случаях с избыточностью. Эти проблемы можно бу-

дет решить на основе дополнительных исследований

и предложений по дополнительным электромагнит-

ным системам, способным создавать требуемые уси-

лия, действующие на загрузку.

Литература

1. Буканин, В. А., Немков, В. С., Рудаков, М. Л.

Внешние электромагнитные поля высокочастотного

электротермического оборудования // Известия ГЭ-

ТУ: сб. научн. тр. СПб:. Изд. полигр. центр ГЭТУ,

1997. – Вып. 509 – С. 63-67.

2. Буканин, В. А. Био-ЭМС индукционных сис-

тем и средства управления внешним электромагнит-

ным полем // IV Международный симпозиум по

электромагнитной совместимости и электромагнит-

ной экологии ЭМС-2001: сб. научн. докл. – СПб.:

Изд-во СПбГТУ “ЛЭТИ”, 2001. – С. 267-271.

3. Буканин, В., Вологдин, В. Исследование

внешнего поля индуктора на примере электромаг-

нитного портрета высокочастотной транзисторной

установки для пайки инструмента. // “Сварка и род-

ственные технологии в современном мире” Материа-

лы Международной научно-технической конферен-

ции, том 1. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002. – С. 76-79.

4. Буканин, В. А. Проблемы внешних электро-

магнитных полей индукционных установок. // Ин-

дукционный нагрев, № 5, 2008. – с. 49 – 54.

5. V. Bukanin, A. Zenkov. Electromagnetic safety

and bio-EMC problems for induction technologies. Heat

Processing. International magazine for industrial fur-

naces. VULKAN-VERLAG. Essen, Issue 2, 2008. P.

119 – 121.

6. V. A. Bukanin. Negative effects of electromag-

netic field in induction systems. / Proceeding of Interna-

tional EUROCON Conference devoted to the 150-

anninersary of A. S. Popov, Saint Petersburg, May 18 -

23, 2009. P. 1783 – 1788.

7. http://www.hse.gov.uk/research/rrpdf/rr570.pdf.

Philip Chadwick. Assessment of electromagnetic fields

around magnetic resonance imaging (MRI) equipment.

8. Холявский, Г. Б. Расчёт электродинамических

усилий в электрических аппаратах. М.-Л.: Госэнер-

гоиздат, 1962, 184 с.

9. Иванов, А. Н., Буканин, В. А. Исследование

электромагнитного привода для перемещения заго-

товок в индукционном нагревателе. / Сб. докладов

62-й научно-технической конференции профессорс-

ко-преподавательского состава университета 27 ян-

варя – 8 февраля 2009 г. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

“ЛЭТИ”, 2009. – с. 210 – 215.

541

PARTICULARITIES OF ELECTROMAGNETIC FIELDS ACTION

IN INDUCTION SYSTEMS

VANOV

USSIA

UKANIN

USSIA

St. Petersburg Electrotechnical University, e-mail: ANIvanov@mail.eltech.ru

Electromagnetic fields (EMF) in high current

induction systems for many technological or medical

purposes can be on the one hand harmful or dangerous

factor, on the other hand – useful factor. Results of

investigation both negative and positive effects of

magnetic fields are presented in this paper. Well known

problems for industrial induction heaters are leakage

external magnetic field, vibration and noise, spontaneous

motion and unloading of workpieces from inductors, etc.

We may speak about both bio-electromagnetic and

electromagnetic-mechanical compatibility of such

systems.

Problems of bio-electromagnetic compatibility for

electro-technological personnel, as well as for the medical

personnel of modern magnetic resonance imaging (MRI)

were considered. These problems are general from points

of view the statement and the ways of their decision.

External magnetic fields can spread to greater distances.

Often biologically significant levels can be fixed at the

distance of 2 m or more from induction coils of greater

sizes with the significant current.

Some electromagnetic portraits are suggested as

information about harmful and dangerous zones of

induction installation. Such practice of warning in the

technical description and operating instruction is very

useful for industrial managers and technical specialists

as well as for personnel. The typical electromagnetic

portraits are shown for DC MPI system and for 50 Hz

induction heater.

The reference level for occupational exposure of

Russia standards was taken into account for these types of

induction systems. Maximal value for DC magnetic field

is 24 000 A/m (0,03 T), the value for 8 hrs is 8000 A/m

(0,01 T). The reference level for occupational exposure of

ICNIRP is 163 000 A/m (0,2 T) and significant more, then

for Russia SN 2.2.4.1191-03. Maximal value of

SN 2.2.4.1191-03 for 50 Hz magnetic field is 1600 A/m,

the value for 8 hrs is 80 A/m. The reference level for

occupational exposure of ICNIRP is 400 A/m.

Using the electromagnetic portrait it is easy to

find the necessary decision to protect the personal

against electromagnetic field.

Electromagnetic forces (EMF) created by magnetic

field and current of induction coil are very strong because

of very high potential power of induction heaters.

Electromagnetic-mechanical compatibility of induction

installations can be taken into account first of all for low

and medium frequency system. Noise and vibration are

the main problems for inductors working at frequency

range 50 – 10 000 Hz. Spontaneous unloading of

workpieces from inductors is the other problem for

induction systems of main frequency. This effect of

electromagnetic field is very hazard. 2D program allows

calculating the EMF and predicting the possible moving

of workpiece to prevent trauma.

The results of investigation are presented to show

the possible level of electromagnetic forces and

dependency of EMF from some critical parameters.

Electromagnetic forces can reach 700 N and more in

induction heaters of 50 Hz. Inductor acts as the

electromagnet in ferromagnetic stage of heating and as

the electromagnet gun in nonmagnetic stage.

There are some ideas to transform the negative

electromagnetic forces into positive. For example EMF

can be used as one of means for controllable moving of

workpieces, i. e. electromagnetic driver or actuator.

Motion and unloading of workpieces from induction

heating systems depend on many factors: mutual

displacement of inductor and load, air gap between

workpieces, etc. The good results can be obtained in

the case of ferromagnetic load to be heated above Curie

point. Induction coil acts as electromagnetic actuator

and allows moving workpieces during the continuous

or semi-continuous heating processing stages.

The positive effect of electromagnetic field can

be obtained without changing any constructive

parameters of induction coil. If we use the multiphase

system the effect of moving sufficiently increases. The

future investigation can give the answers how to chose

and optimize both the induction heating and moving

system.