Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Iztok Tomasino
MERITEV MAGNETNEGA POLJA V OKOLICI
ELEKTROMOTORJA
Diplomska naloga
Ptuj, avgust 2008
UNIVERZA V MARIBORU
Diplomska naloga visokošolskega
MERITEV MAGNETNEGA POLJA
ELEKTROMOTORJA
Študent: Iztok TOMASINO
Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika
Smer: Močnostna elektrotehnika
Mentor: red. prof. dr. Mladen Trlep
Somentor: red. prof. dr. Anton Hamler
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Diplomska naloga visokošolskega študijskega programa
MERITEV MAGNETNEGA POLJA V OKOLICI
ELEKTROMOTORJA
Iztok TOMASINO
visokošolski, Elektrotehnika
Močnostna elektrotehnika
red. prof. dr. Mladen Trlep
red. prof. dr. Anton Hamler
Ptuj, avgust 2008
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17
študijskega programa
V OKOLICI
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju dr. Mladenu Trlepu za
pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske
naloge. Prav tako se zahvaljujem somentorju
dr. Antonu Hamlerju in asistentu Viktorju Goričanu.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij.
MERITEV MAGNETNEGA POLJA V OKOLICI
ELEKTROMOTORJA
Ključne besede: elektromagnetno polje, magnetno polje, merjenje
magnetnega polja, vpliv magnetnega polja na okolico, električni stroji, asinhronski stroji
UDK: 621.313.013.22(043.2)
Povzetek:
V diplomski nalogi je obravnavano električno in magnetno polje nizkih frekvenc, viri in
meritve polja ter biološki učinki elektromagnetnega sevanja. Zaradi tega je podan tudi
kratek pregled ustrezne zakonodaje v Republiki Sloveniji.
Bistvo diplomske naloge je ovrednotenje magnetnega polja v okolici trifaznega in
enofaznega asinhronskega motorja, tako v obremenjenem stanju, kot tudi v prostem
teku. Izmerjena je bila gostota magnetnega polja B v odvisnosti od razdalje, v
različnih ravninah glede na os rotorja, dodatno pa tudi od napetosti, frekvence in
vrtljajev.
Rezultati meritev so prikazani z različnimi grafi, ki omogočajo analizo in ovrednotenje
magnetnega polja v okolici elektromotorja ter poglobljen vpogled v to dogajanje.
MAGNETIC FIELD MEASURING IN THE
SURROUDING OF AN ELECTRIC MOTOR
Key words: electromagnetic field, magnetic field measuring, influence of the magnetic field to the surrounding, electric machines, asynchronous machines
UDK: 621.313.013.22(043.2)
Abstract:
In my diploma I dealt with electric and magnetic fields of loe frequency, sources and
field measuring as well as the biological effect of the electromagnetic radiation.
Because of that a brief overview of the appropriate legislation in the Republic of
Slovenia is given.
In my diploma the most important part is estimating the magnetic field in the
surrounding of a tree-phases and one-phase asynchronous motor in load and no-load
operation: The density of the magnetic field B was measured depending on the
distance, in different plains according to the rotor axle, and in addition also the
depending on the voltage, frequency and revolution.
The measuring results are shown in different graphs, that make an analysis and an
estimation of the magnet field in the surrounding of an electric motor possible as well
as a deeper view into the process.
KAZALO
1. Statična električna in magnetna polja .............................................................................. 10
1.1 Električno polje ............................................................................................................. 10
1.2. Magnetno polje .............................................................................................................. 11
2. Nizkofrekvenčna EMS do 100kHz ...................................................................................... 13
2.1. Električno polje ............................................................................................................. 13
2.2. Magnetno polje .............................................................................................................. 15
3. Viri elektromagnetnih sevanj ............................................................................................. 16
3.1. Viri EMS naravnega izvora .......................................................................................... 16
3.1.1. Električno polje ...................................................................................................... 16
3.1.2. Magnetno polje ...................................................................................................... 17
3.2. Viri EMS umetnega izvora ........................................................................................... 17
4. Meritve elektromagnetnih sevanj ...................................................................................... 18
4.1. Merjenje nizkofrekvenčnih EMS ................................................................................. 18
4.1.1. Statična električna in magnetna polja ............................................................... 18
4.2. Izmenična nizkofrekvenčna EMS ............................................................................... 20
4.3. Merjenje električne poljske jakosti E ........................................................................ 21
4.4. Merjenje gostote magnetnega pretoka B ................................................................. 22
5. Zakonodaja v Republiki Slovenije ..................................................................................... 22
6. Biološki učinki EMS ............................................................................................................. 25
6.1. Električno polje ............................................................................................................. 26
6.2. Magnetna polja .............................................................................................................. 27
6.3. Akutni učinki .................................................................................................................. 27
6.4. Učinki pri kronični izpostavljenosti ........................................................................... 28
6.5. Elektromagnetna polja električnih rotacijskih strojev ........................................... 29
7. Opis meritve .......................................................................................................................... 30
7.1. Meritev gostote magnetnega polja B v okolici trifaznem motorju ...................... 30
7.2. Merjenje gostote magnetnega pretoka B pri konstantni razdalji ......................... 34
7.3. Merjenje gostote magnetnega pretoka B v odvisnosti od razdalje ..................... 37
7.4. Merjenje prostega teka pri različnih napajalnih frekvencah ................................. 41
7.5. Merjenje frekvenčnega spektra pri napetosti 100V, 220V, 260V .......................... 46
7.6. Meritev gostote magnetnega polja B pri enofaznem motorju ESK 90 S4 .......... 48
7.7. Merjenje B v obremenjenem stanju in v prostem teku elektromotorja .............. 49
7.8. Merjenje gostote magnetnega pretoka B v odvisnosti od razdalje ..................... 51
8. Zaključek ................................................................................................................................ 53
9. Literatura ................................................................................................................................ 54
Uporabljeni simboli
E – električna poljska jakost (V/m)
J – gostota električnega toka (A/��)
σ – električna prevodnost tkiv (S/m)
R – nadomestni radij človeškega telesa (m)
f – frekvenca (Hz)
B – gostota magnetnega pretoka (T)
H – magnetna poljska jakost (A/m)
P – električna moč (W)
U – napetost (V)
I – električni tok (A)
n – vrtljaji (1/min)
M – navor (Nm)
d1,d2 – razdalja (cm)
10
1. Statična električna in magnetna polja
1.1 Električno polje
Električno polje nastane v bližini naelektrenega delca oz. delcev in je določeno z električno poljsko jakostjo E, izraženo v voltih na meter (V/m).
Slika 1: Primer električnega polja
Če se nahaja pozitivni naboj (Q) v takem polju, nanj deluje sila F, ki jo zapišemo z
�� � � · ��
Električno polje torej deluje na naelektrene delce s silo, ki je sorazmerna električni poljski jakosti. Ta sila je odvisna od kraja in je sorazmerna gradientu energije, le-ta pa je sorazmerna kvadratu električnega polja. V električnem polju lahko torej pride do gibanja celic, celice zaradi prisotnosti električnega polja lahko spremenijo obliko, se uredijo v verige in se v polju orientirajo.
Če v električno polje postavimo objekt, se to na eni strani spremeni, na drugi strani pa se spremeni tudi električno stanje v samem objektu. Pri tem so odločilne snovne lastnosti, relativna dielektričnost, prevodnost in geometrija objekta.
Biološka tkiva imajo v primerjavi z zrakom zelo velike vrednosti dielektričnosti in prevodnosti. To pomeni, da so sorazmerno dobri električni prevodniki.
V notranjosti prevodnikov v področju nizkih frekvenc ne more priti do nastanka električnega polja. Porazdelitev prostih nosilcev nabojev je namreč takšna, da se notranje polje izniči. Površina telesa je tako ekvipotencialna ploskev s porazdelitvijo naboja povzročenega s poljem.
11
Pri obravnavi učinkov električnega polja na biološke sisteme se vedno navajajo nemotene poljske jakosti (brez prisotnosti oseb in drugih prevodnih objektov), saj se električne poljske jakosti vzdolž objekta močno spremenijo in niso natančno znane.
Za elektrostatično polje je značilno, da lahko polje vsaki točki v prostoru nedvoumno pripišemo določen časovno konstanten potencial. Biološki objekt so telesa, ki so sestavljena iz različnih snovi. Te so sestavljene iz delcev, ki so različno nabiti (pozitivno ali negativno) ter različno gibljivi. Kljub nehomogeni notranjosti telesa lahko le-to v splošnem, v primerjavi z zrakom, označimo kot dobro prevodno.
V elektrostatičnem polju prihaja zaradi njegovega influenčnega delovanja do prerazporejanja nabojev tako dolgo, dokler površina telesa ne predstavlja ekvipotencialne ploskve in v notranjosti telesa ni več električnega polja. Pri tem pa pride do precejšnega popačenja primarnega električnega polja, ki vodi do povišanja vplivne električne poljske jakosti. Popačenje je odvisno od položaja in oblike biološkega objekta. V nasprotju z izmeničnimi polji v statičnih poljih, po ločitvi influenčnih nabojev, ne prihaja do nadaljnjih premikov nabojev (tokov).
Ko se dotaknemo naelektrene površine telesa in smo ozemljeni, steče takoimenovani odvodni tok. Njegova velikost je odvisna od kapacitivnosti naelektrenega telesa in njegovega potenciala glede na zemljo.
Medtem ko visoka elektrostatična polja najdemo v bližini enosmernih visokonapetostnih daljnovodov (teh pri nas ni), pa je dobro znana razelektritev – t.i. ''mikrošok'' ob dotiku z avtomobilom. V tem primeru se avto naelektri zaradi trenja koles (gum) s cestiščem. Ko se dotaknemo kovinske površine vozila, se vozilo razelektri preko nas v zemljo. Vozilo ostane razelektreno tako dolgo, dokler ne prevozi dovolj dolge razdalje, da se zopet nabije.
1.2. Magnetno polje
Zaradi nemagnetnih lastnosti bioloških materialov (� � 1) njihova prisotnost ne spremeni prvotnega magnetnega polja B. Polje v biološki snovi je torej enako zunanjemu polju. Biološka snov je torej ''prozorna'' za magnetno polje.
Dejstvo, da se ptice selivke med drugim orientirajo tudi s pomočjo zemeljskega magnetnega polja kaže, da imajo lahko tudi statična magnetna polja biološke učinke. Medtem ko je električno polje omejeno s prebojno trdnostjo, pa za magnetno polje take omejitve ni.
Statično magnetno polje vpliva z Lorentzovo silo na gibajoče nabite delce. Sila je največja takrat, ko sta magnetno polje in smer premikanja pravokotno druga na drugo.
12
Sila F na gibljivi delec v magnetnem polju določimo s pomočjo
� � � · ��� � ���
Gostota magnetnega polja B je izražena kot sila na gibajoče se naboj v polju (B� � · �). Enota je tesla (T). Magnetna poljska jakost H je za biološke materiale povezana z gostoto magnetnega pretoka preko permeabilnosti � � 4� · 10�� v H/m. Izražena je v amperih na meter (A/m).
Slika 2: Primer magnetnega polja
Magnetno polje lahko spreminja energijske nivoje elektronov in orientacije spinov ter učinkuje s silo na delce. Nekaj teh mehanizmov interakcij izkoriščamo za proučevanje bioloških sistemov, kot npr. biokemične reakcije s tehnikami magnetne jedrske resonance ali elektronske spinske resonance. Interakcije magnetnega polja z atomskim jedrom so zelo šibke v primerjavi z interakcijami z elektroni in najverjetneje nimajo pomembnih bioloških učinkov.
13
2. Nizkofrekvenčna EMS do 100kHz
Če v neko nemoteno izmenično polje vstopi človek bo, enako kot pri statičnem električnem polju prišlo do prerazporeditve nabojev na telesu in do spremembe prvotnega polja.
Nizkofrekvenčna EMS (valovna dolžina je precej večja od objekta v njem) tako obravnavamo kot kvazi-statična polja (Gajšek, 1995a). To pomeni, da lahko električno in magnetno polje proučujemo ločeno. Počasi spreminjajoče se polje (električno ali magnetno) vpliva na objekt podobno kot statično polje.
Slika 3: Primer elektrostatičnega polja
2.1. Električno polje
Izmenična električna polja nastanejo zaradi izmenično gibajočih se električnih nabojev. Pri tem nastali električni tok teče v bioloških objektih po poteh, ki so določene z bolj ali manj prevodnimi območji v telesu. Če se jakost nemotenega električnega polja spreminja izmenično, se tako spreminja tudi jakost toka v telesu, postavljenim v to polje.
Ko se človek znajde v nizkofrekvenčnem električnem polju, se zgodi naslednje:
- na površini telesa se ustvari električno polje, ki se razlikuje od prvotnega. To polje lahko povzroči vibriranje dlak in las, kar lahko zaznavamo. Lahko povzročijo tudi stimulacijo drugih senzorskih receptorjev v koži.
14
- v telesu nastane notranje električno polje, ki je sorazmerno polju na površini in požene skozi telo električno polje.
Električna poljska jakost na površini telesa povzroča naelektritev razmeroma visoko-ohmskih dlak po telesu. Aktivne sile med dlakami in površino telesa povzročijo vibracije dlak. Močno povečanje polja na površini telesa povzroči občutek zbadanja med obleko in kožo, kot tudi neposredno stimulacijo perifernih receptorjev v koži. Zaznavanje električnega polja (draženja, vibracije dlak, srbečica) je odvisno od orientacije telesa glede na polje, položaj udov (dvigovanje ali spuščena roka), obleke ter ozemljitve.
Ker kri kroži po vsem telesu, povzroči zvišanje prevodnosti prekrvljenih tkiv in s tem zmanjšanje razlike v prevodnosti med posameznimi deli telesa. Biološki materiali so razmeroma dobri prevodniki. Zato dobimo osnovni vpogled v dogajanja v živem organizmu, ki se nahaja v nizkofrekvenčnem električnem polju tako, da posamezna tkiva nadomestimo s prevodnikom. Najbolj električno prevodne so krvne poti.
Tabela 1. Prevodnost posameznih tkiv pri frekvenci 50Hz
tkivo/organi kri
ostala
mišična
tkiva srčna mišica organi maščoba kosti
prevodnost σ
(S/m) 0,8 0,1-0,3 0,1 0,1 0,05 0,05
V prevodnem materialu (npr. biološkem organu ali tkivu) tako teče tok, njegovo gostoto pa lahko podamo z izrazom:
� � � · ����
Tako porazdelitev električne poljske jakosti v človekovem telesu, kot tudi induciranih tokov skozenj, poznamo le v grobem. Tok, ki prodre skozi dele telesa z večjo upornostjo (koža, maščoba), teče dalje v glavnem po krvnih poteh, ki so zelo dobro prevodne (σ = 0,8 S/m).
Zato je potrebno za določitev električnega toka v telesu upoštevati lokalno porazdelitev električnega polja. Pri upoštevanju značilnih konstant biološkega tkiva dobimo zvezo med zunanjo ( ��) in notranjo električno poljsko jakostjo ( � �!) za statično polje:
� �!/�� # 10�$�
medtem ko za izmenična 50Hz polja dobimo (Polk in Postow, 1986)
� �!/�� # 4 · 10�%
15
Polje v biološki snovi je znatno manjše od zunanjega polja, v katerem se nahaja. Vsak kV/m zunanjega električnega polja povzroči v telesu gostoto toka, in sicer približno 32 �(/��.
Velikost gostote toka v telesu je v principu odvisna od tega, ali se človek nahaja na prevodni podlagi, ali pa je od nje izoliran.
Električno polje se v neposredni bližini človeškega telesa (prevodnika) popači. Učinek koncentracije polja (stopnja popačenja) je odvisen od oblike in velikosti telesa.
Izmenično polje torej lahko vpliva na človeka:
- posredno (le ob dotiku prevodnih neozemljenih objektov); - neposredno (zaradi pasivnih električnih ali snovnih lastnosti telesa).
Posledica je v obeh primerih tok, ki teče skozi človeško telo in ustvari znotraj telesa električno polje nizke jakosti. Pri posrednem vplivu ločimo med prehodnim tokom, ki steče po človeku v trenutku zaradi razelektritve prevodnega objekta in stalnim tokom, ki teče zaradi periodičnega časovnega spreminjanja razporeditve naboja na prevodnem objektu.
2.2. Magnetno polje
V objektu, ki se nahaja v izmeničnem magnetnem polju, se inducirajo vrtinčni tokovi. V nasprotju s tokom, ki teče skozi objekt vzporedno z električnim poljem, krožijo vrtinčni tokovi v samem objektu, njihova smer pa je pravokotna na magnetno polje. Tokovi so največji na površini telesa in se zmanjšujejo proti njegovi notranjosti.
Vrtinčni tokovi, ki se pojavijo v organizmu kot posledica magnetnega polja, krožijo v smeri, ki jo določa polarizacija polja. Gostota vrtinčnih tokov se spreminja s prevodnostjo tkiva na njihovi poti.
Gostoto toka v telesu povzročeno z zunanjim izmeničnim magnetnim poljem frekvence pod 10MHz, lahko določimo s pomočjo izraza:
� � � · �
� � � · ) · � · * · ��
J – gostota električnega toka
σ – električna prevodnost tkiv
E – električna poljska jakost
R – nadomestni radij človeškega telesa
16
f – frekvenca
B – gostota magnetnega pretoka
Zaradi proporcionalne odvisnosti velikosti gostote toka od radia induktivne krožne zanke (opazovani del človeškega telesa je nadomeščen z nadomestnim radijem) lahko sklenemo, da izmenična magnetna polja inducirajo zaznavne vrtinčne tokove na makroskopskem nivoju, medtem ko so ti na celičnem nivoju bistveno manjši.
3. Viri elektromagnetnih sevanj
Na zemlji so že od nekdaj prisotna sevanja naravnih virov. Čedalje več je tudi sevanja umetnih virov. Ta so navzoča povsod v okolju, kjer delamo ali bivamo in njihova jakost s tehnološkim razvojem družbe narašča.
3.1. Viri EMS naravnega izvora
Naravna EMS izvirajo iz zemlje (zemeljsko magnetno polje), zemeljske atmosfere (električno polje) in vesolja, kjer je sonce njihov najpomembnejši izvor.
3.1.1. Električno polje
Električno polje zemlje je sestavljeno iz prevladujoče statične in časovno spreminjajoče komponente, ki pa je za nekaj velikostnih razredov manjša. Vir statičnega električnega polja je krogelni kondenzator, ki ga predstavlja zemlja. Spodnja plast troposfere služi kot dielektrik kondenzatorja, ki ga sestavljata električna prevodna površina zemlje in električno prevodna atmosfera v višini nad 40 km. Ta kondenzator, ali t.i. krogelni resonator, se nenehno polni z atmosferskimi razelektritvami v obliki strel.
Zaradi ločitve električnega naboja med atmosfero in zemljo znaša električna poljska jakost na površini zemlje med 100 in 500 V/m.
Dnevno nihanje naravno prisotnega električnega polja je odvisno predvsem od neviht, ki vplivajo na stopnjo premeščanja nabojev med zemljo in atmosfero. Največja nihanja se pojavijo ob nevihtah, kjer električno polje doseže do 20 kV/m. Te vrednosti so lahko tudi veliko večje ob močnih padavinah ali megli. Električno polje je odvisno od nadmorske višine, lokalne temperature, vlage in prisotnosti ioniziranih onesnažil.
17
3.1.2. Magnetno polje
Naravno prisotno statično magnetno polje je vsota polja, ki izvira iz notranjosti zemlje in je posledica električnega toka v zgornji plasti zemljine skorje ter polje, ki izvira izven zemlje. To je posledica sončnih, atmosferskih ter drugih aktivnosti. Na površju zemlje najdemo največjo vrednost vertikalne komponente na magnetnem polu (67 µT) in najmanjšo na ekvatorju (0). Horizontalna komponenta pa je največja na ekvatorju (33 µT) in se zmanjšuje proti magnetnemu polu, kjer doseže vrednost nič. Geomagnetno polje predstavlja časovno in krajevno variacijo, ki je odvisna predvsem od sončnih aktivnosti in aberacije lokalnega magnetnega polja.
Meritve kažejo, da se magnetno polje kar živahno spreminja. Amplituda niha tekom dneva. Preko leta pa se smer zemeljskih polov nekoliko spreminja in je odmaknjena od vrtilne osi zemlje.
Na področju Slovenije bi ob morju izmerili približno 45 µT, proti severu pa polje narašča in ob avstrijski meji znaša približno 50 µT.
3.2. Viri EMS umetnega izvora
Umetna EMS zavzemajo celotni frekvenčni spekter. Najpogostejši viri so električno omrežje, električni motorji, gospodinjske naprave, naprave v industriji za obdelavo različnih materialov, računalniki, telekomunikacijske naprave, radijski in televizijski oddajniki, medicinske narave in radarji. Ta sevanja dosegajo neprimerno večje jakosti kot sevanja naravnih virov (Gajšek J., 1983).
Tabela 2: Električno polje nekaterih gospodinjskih aparatov na oddaljenosti 30 cm
Električna naprava Električno polje (V/m)
radio 180likalnik 120
zamrzovalnik 120mešalec 100toaster 80
sušilec za lase 80televizija 60
aparat za kavo 60sesalec 50
električna pečica 8žarnica 5
18
Tabela 3: Magnetno sevanje nekaterih gospodinjskih aparatov na oddaljenosti 30 cm
Električna naprava Gostota mag. pretoka (µT)ročni mešalnik 6,0-10sušilec za lase 1,0-7
hladilnik 0,01-0,35štedilnik 0,15-5
ročni vrtalnik 2-3,5brivnik 0,1-9
sesalec za prah 2,0-20avtomat za kavo 0,01-0,2TV sprejemnik 0,04-2
4. Meritve elektromagnetnih sevanj
4.1. Merjenje nizkofrekvenčnih EMS
Pri elektromagnetnih sevanjih v frekvenčnem območju 0-30 kHz električno in magnetno polje v splošnem obravnavamo ločeno. Električno polje je odvisno od napetosti, magnetno polje pa od toka. Električno poljsko jakost merimo v voltih na meter (V/m), magnetno poljsko jakost pa v amperih na meter (A/m). Za opis magnetnega polja uporabljamo gostoto magnetnega pretoka z enoto tesla (T).
4.1.1. Statična električna in magnetna polja
Natančnejše meritve elektrostatičnega polja dobimo s kondenzatorjem z vrtečo se elektrodo (t.i. ''field mill'' instrumentom). Sestavljen je iz ene gibljive in ene negibljive elektrode, ki sestavljata kondenzator.
Elektrodi imata obliko zvezde s šestimi kraki. Zaradi rotacije se spreminja efektivna površina kondenzatorja in s tem se spreminja gostota naboja na kondenzatorju. Gostota naboja na kondenzatorju pa je sorazmerna pravokotni komponenti elektrostatičnega polja (SIST ENV 50166-1, 1995, IEEE Std 644, 1987).
Magnetometer na principu protonske precesije – prosti atom s permanentnim magnetnim dipolom momentom – se orientira glede na vsiljeno zunanjo magnetno polje. Orientacija vsakega posameznega delca je glede na zunanjo magnetno polje kvantizirana in določena s kvantnimi števili. Vsak tak majhen dipolni magnetni moment, za določen kot odmaknjen od
19
zunanjega magnetnega polja, precesira okoli te glavne osi z neko določeno frekvenco, ki jo imenujemo precesijska frekvenca +*,-.
Ta je povezana z velikostjo zunanjega magnetnega polja (B) na naslednji način:
*, � 4,2579 · 10� · 2 (Hz)
Precesijsko frekvenco znamo izmeriti in tako lahko zelo enostavno določimo B. Merilnik magnetnega polja izmeri precesijsko frekvenco, ki jo nato pretvori v električni signal.
Od polprevodnikov je za magnetna merjenja najpogosteje uporaben Hallov efekt. Plošča iz polprevodniškega materiala se nahaja v magnetnem polju. Vzdolžni smeri plošče teče tok I. Pravokotno na smer krmilnega toka I in silnic gostote magnetnega polja B se pojavi napetost 34, imenovana tudi Hallova napetost praznega teka. Določena je z enačbo:
34 � 5678 9 · : · �
)4 - materialna konstanta, ki je določena z elementarnim nabojem ter številom elektronov enoti volumna
d – debelina polprevodnika
B – merjena gostota magnetnega pretoka
I – krmilni tok
Najbolj občutljiv merilnik šibkih magnetnih polj je SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Ta sodobni merilnik magnetnih polj deluje na osnovi superprevodnosti – kot detektor magnetnega pretoka, ki izkorišča kvantni efekt. Če superprevodni obroč prekinemo s tanko plastjo izolatorja, dobimo obroč s tankim spojem. Običajno je to oksidna plast. Če se nahaja superprevodni obroč v magnetnem polju, mora pretok, ki ga obroč objema: Φ = B•dA, na osnovi Maxwellove enačbe:
; �< => � ?=/=@ 5A 2B=>B< 9
ostati konstanten tudi, ko se zunanje polje spremeni. Superprevodni tok C< mora sedaj teči v obroču tako, da se sprememba magnetnega polja kompenzira (Fefer, 1993). Teorija superprevodnosti pravi, da pretok, ki ga superprevodni obroč objema, postane v njem kvantiziran:
D, � EF � 2 · 10�$G (Vs)
20
Po drugi strani pa tok C< v obroču lahko naraste le do kritične vrednosti. Celotni magnetni pretok skozi obroč je tako sestavljen iz dveh členov. Prvi je prispevek zunanjega magnetnega polja DH, drugi pa posledica toka, ki teče po zunanji steni obroča.
Če je induktivnost obroča L in če je C< tok, ki teče po njem, lahko zapišemo:
D � DH I J · C< � K · D,
4.2. Izmenična nizkofrekvenčna EMS
Pri nizkih frekvencah, še posebno pri omrežni frekvenci 50 Hz, kjer je valovna dolžina nekaj 1000 km, se merilno mesto navadno nahaja v nesevalnem bližnjem polju (Joyne, 1988). Za določitev sevalnih obremenitev je potrebno ločeno meriti električno in magnetno polje.
Tako električna kot magnetna poljska jakosti sta vektorski veličini, ki ju zaznamujeta njihova vrednost ter smer. Iz efektivnih vrednosti ortogonalnih prostorskih komponent sledi vrednost nadomestne poljske jakosti (� L8). Pri tem ni upoštevano, da različne prostorske komponente dosežejo svojo maksimalno vrednost v različnih trenutkih zaradi razlike v fazi. Nadomestna poljska jakost je torej vedno večja ali kvečjemu enaka dejanski poljski jakosti.
Dostikrat se s preprostimi merilnimi instrumenti meri samo eno komponento polja. Pri tem je treba upoštevati, da se z merjenjem v vseh treh prostorskih smereh določa maksimalni učinek polja. Od vrste polja je odvisno ali bo tako nastala maksimalna poljska jakost enaka nadomestni poljski jakosti (� L8). Če imajo poljski vektorji smer, neodvisno od časa, kakršna nastaja pri eno- oziroma dvofaznih sistemih, se maksimalna poljska jakost in nadometna poljska jakost ujemata. Če je smer vektorjev poljskih jakosti odvisna od časa – taka polja praviloma nastajajo pri trifaznih sistemih (vrtilna polja), je maksimalna poljska jakost manjša od nadomestne poljske jakosti. V tem primeru se lahko maksimalna poljska jakost uporablja le v kontrolne namene.
Velikost izmerjene vrednosti je pri nehomogenih poljih (n.pr. v bližini vodov in naprav) bistveno odvisna od celotne merilne površine. Na podlagi metrološkega modela navadno uporabljamo merilno površino v izmeri 100 M��. Če od te navade odstopimo, moramo navesti izmero merilne površine (IEEE, 1987).
V nadaljevanju pri obravnavi sevalnih obremenitev nizkih frekvenc obravnavamo ločeno električno in magnetno polje.
21
4.3. Merjenje električne poljske jakosti E
Za merjenje izmeničnih nizkofrekvenčnih električnih polj se uporablja:
- merilnik z zračnim kondenzatorjem (''free-body'' merilnik), ki je v bistvu neozemljen zračni kondenzator z ustrezno elektroniko, s katero merimo spremembo naboja (izmenični tok) med dvema izoliranima ploščama.
- Merilnik z zračnim kondenzatorjem (''ground reference'' merilnik – eno elektrodo ima ozemljeno), s katerim merimo tok proti zemlji z ravno elektrodo, nameščeno v električnem polju.
V praksi najpogosteje uporabljamo merilne sisteme, ki merijo električno polje neodvisno od ozemljitve (zračni kondenzator). Oblika elektrod je izbrana tako, da je popačenje električnega polja čim manjše in je mogoče korektno zajeti vse smeri v prostoru. Zato so še posebej primerne sonde v obliki krogle ali kocke.
Pri merjenju izmeničnega električnega polja, ki ni vezano na ozemljitev, merimo influenčni tok med dvema izoliranima elektrodama. Glede na geometrijske značilnosti elektrod pride do stalnih razmerij med tokom in poljsko jakostjo. To je mogoče bodisi izračunati ali pa določiti s kalibriranjem. Merilnik električnega polja uporablja kapacitivni princip v obliki šestih plošč.
Merilni instrument pretvori posamezni rezultat glede na koordinatno os sistema v efektivno vrednost celotnega polja, v katerem se nahaja. Na zaslonu je podana efektivna vrednost nadomestne električne poljske jakosti (� L8), ki je enaka
� L8 � N�O� I �P� I �H�
�O, �P, �H - posamezne prostorske komponente polja
Pomembno težavo pri merjenju nadomestne poljske jakosti na eni strani predstavlja popačenje merilnega polja zaradi samega merilnega sistema, po drugi strani pa navzočnost osebe, ki izvaja meritve. Merilni sistem je zato treba električno izolirati ali pa uporabljati dovolj dolg (najmanj dva metra) izoliran drog ali povezavo z optičnimi kabli. Če se merilna naprava in oseba, ki izvaja meritve, nahajata 1,5 metra narazen, merilna napaka znaša približno 10 %. Pri oddaljenosti 2 m je napaka manjša od 5 %. Sondo moramo vedno toliko oddaljiti od merilca ali drugih objektov, da je popačenje polja zaradi bližine objekta manjše od 3 %. V praksi to zagotovimo tako, da merilno sondo in instrument povežemo z optičnim kablom dolžine 5 m. Meritve praviloma izvajamo 1 m nad tlemi. V bližini predmetov (n.pr. rastlin…) je polje zelo nehomogeno. Za meritev nemotenega električnega polja mora biti merilna naprava oddaljena od predmeta najmanj za trikratno višino le-tega.
22
4.4. Merjenje gostote magnetnega pretoka B
Za merjenje nadomestne gostote magnetnega pretoka imamo na razpolago številne fizikalne efekte. Najpogosteje uporabljamo postopek z indukcijsko tuljavo. Izmenično magnetno polje v mirujoči tuljavi inducira napetost, ki je proporcionalna časovni spremembi magnetnega polja (dB/dt). Za natančnost merjenja je odločilnega pomena natančno poznavanje frekvence.
Pri meritvah gostote magnetnega pretoka je treba paziti, da na merilne rezultate ne vplivajo prisotni večji kovinski predmeti (jekleni nosilci, armature, pločevinasta vrata, vozila, pločevinasta streha,...).
Na zaslonu instrumenta, ki izpolnjuje zahteve omenjene tehnične specifikacije po točno določeni površini merilne sonde (100 M��) (IEEE, 1987), je podana efektivna vrednost nadomestne gostote magnetnega pretoka (2 L8), ki je enaka
2 L8 � N2O� I 2P� I 2H�
2O, 2P, 2H - posamezne komponente polja
5. Zakonodaja v Republiki Slovenije
Elektromagnetna sevanja obstajajo v naravi in so bila vedno prisotna na zemlji. V dvajsetem stoletju se je s pojavom električnih naprav in mobilne komunikacij znatno povečala intenziteta umetno ustvarjenih elektromagnetnih polj. Ljudje so vsak dan izpostavljeni sevanju različnih frekvenc doma in na delu.
Vlada Republike Slovenije je decembra 1996 izdala uredbo o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju (Uradni list št. 70, 6.12.1996), katerega povzetek, ki se nanaša na nizkofrekvenčno električno polje sledi.
Vir sevanja je visokonapetostni transformator, razdelilna transformatorska postaja, nadzemni ali podzemni vod za prenos električne energije, odprti oddajni sistem za brezžično komunikacijo, radijski ali televizijski oddajnik, radar ali druga naprava in objekt, katerega uporaba ali obratovanje obremenjuje okolje z nizkofrekvenčnim elektromagnetnim sevanjem od 0 do vključno 10 kHz in je nazivna napetost, pri kateri sevanje obstaja, večja od 1kV.
Mejna vrednost veličine elektromagnetnega polja je vrednost veličine, določena s to uredbo za posamezno območje naravnega ali življenjskega okolja, na podlagi katere se določa čezmerna obremenitev okolja zaradi sevanja in se izraža kot:
23
- mejna efektivna vrednost električne poljske jakosti E in mejna temenska vrednost gostote magnetnega pretoka B za elektromagnetno polje, ki je posledica emisije nizkofrekvenčnih virov sevanja.
Efektivna vrednost veličin elektromagnetnega polja se določa za periodična polja in je za eliptično polarizirano elektromagnetno polje enaka:
� � N�O� I �P� I �H�
kjer so �O, �P, �H efektivne vrednosti komponent električne poljske jakosti. Enako velja tudi za
magnetno poljsko jakost.
Stopnji varstva pred sevanjem, določeni glede na občutljivost posameznega območja naravnega ali življenjskega okolja (v nadaljnjem prvo območje) za učinke elektromagnetnega polja, ki jih povzročajo viri sevanja, sta prva in druga stopnja.
Prva stopnja varstva pred sevanjem velja za prvo območje, ki potrebuje povečano varstvo pred sevanjem. Prvo območje je območje bolnišnic, zdravilišč, okrevališč ter turističnih objektov, namenjenih bivanju in rekreaciji, čisto stanovanjsko območje, območje objektov vzgojno-varstvenega in izobraževalnega programa, ter programa osnovnega zdravstvenega varstva, območje igrišč in javnih parkov, javnih zelenih in rekreacijskih površin, ter trgovsko-poslovno-stanovanjsko območje, ki je hkrati namenjeno bivanju in obrtnim in podobnim proizvodnim dejavnostim, javno središče, kjer se opravljajo upravne, trgovske storitvene ali gostinske dejavnosti, ter tisti predeli območja, namenjeni kmetijski dejavnosti, ki so hkrati namenjeni bivanju.
Druga stopnja varstva pred sevanjem velja za drugo območje, kjer je dopusten poseg v okolje, ki je zaradi sevanja bolj moteč. Drugo območje je zlasti območje brez stanovanj, namenjeno industrijski, obrtni ali drugi podobni proizvodni dejavnosti, transportni, skladiščni ali servisni dejavnosti ter vsa druga območja, ki niso v prejšnjem odstavku določena kot prvo območje. Druga stopnja varstva pred sevanjem velja tudi na površinah, ki so v prvem območju namenjene javnemu cestnemu ali železniškemu prometu.
Mejne efektivne vrednosti električne poljske jakosti kot posledica uporabe ali obratovanja nizkofrekvenčnih virov sevanja, so za prvo in drugo območje določene v tabeli.
24
Tabela 4: Efektivne vrednosti električnega polja
Frekvenca (Hz) Mejna efektivna vrednost el. polja (kV/m)1. območje - za nove in rekonstruirane vire sevanja
2. območje - za nove in rekonstruirane vire sevanja
0 - 0,1 0,7 140,1 - 60 0,5 1060 - 1500 30/f 600/f1500 - 10000 0,04 0,4
- za frekvenčno območje od 0 do 0,1 Hz mejni vrednosti veljata za temenske vrednosti električne poljske jakosti
- f je frekvenca izražena v Hz
Celotna obremenitev območja s sevanjem kot posledica obratovanja ali uporabe vseh virov sevanja se ugotavlja tako, da se na kraju meritev izmerijo in vrednotijo veličine elektromagnetnega polja, za katere so s to uredbo določene mejne vrednosti. Celotna obremenitev območja s sevanjem zaradi nizkofrekvenčnih in visokofrekvenčnih virov se ugotavlja ločeno. Če so med visokofrekvenčnimi viri tudi viri z impulznim načinom delovanja se obremenitev območja, zaradi izpostavljenja impulznim elektromagnetnim poljem vrednoti posebej.
Obremenitev območja s sevanjem kot posledica obratovanja ali uporabe posameznega vira sevanja se ugotavlja tako, da se na kraju meritev izmerijo in vrednotijo veličine elektromagnetnega polja, za katere so s to uredbo določene mejne vrednosti, pri čemer se za frekvenčno območje, v katerem obravnavani vir seva, ne upoštevajo deleži elektromagnetnega polja, ki so na koncu posledica emisije vseh drugih pomembnih virov sevanja.
Če ja za posamezni vir sevanja predpisan računski postopek vrednotenje veličin elektromagnetnega polja, kot posledice obratovanja posameznega vira sevanja, se lahko namesto iz rezultatov meritev vrednotijo veličine polja na kraju emisije na podlagi podatkov o obratovanju vira sevanja, ko ta s sevanjem najbolj obremenjuje okolje. Računske postopke za izračun veličine elektromagnetnega polja na kraju emisije za posamezen vir sevanja predpiše minister, pristojen za okolje.
Nizkofrekvenčni vir sevanja je pomemben vir sevanja, če njegovo obratovanje na kraju meritev pomeni, da je:
- efektivna vrednost električne poljske jakosti ali gostote magnetnega pretoka, oz.
25
- temenska vrednost električne poljske jakosti ali gostote magnetnega pretoka, če gre za frekvenčno območje od 0 do 0,1 Hz, najmanj v enem frekvenčnem območju večja od 20 % vrednosti, ki je kot mejna vrednost za nove nizkofrekvenčne vire sevanja določena s to uredbo.
Investitor mora pri novem ali rekonstruiranem objektu ali napravi, ki je vir sevanja, zagotoviti prve meritve tistih veličin elektromagnetnega polja, ki so posledica obremenitve območja zaradi sevanja vira, za katerega so s to uredbo določene mejne vrednosti.
Lastnik ali upravljalec vira sevanja mora kot obratovalni monitoring zagotavljati občasne meritve sevanja. Obratovalnega monitoringa ni treba zagotavljati za nizkofrekvenčni vir na drugem območju ali nizkofrekvenčni vir sevanja na prvem območju, katerega nazivna napetost ne presega 100 kV.
Obremenitev območja s sevanjem je čezmerna, če na kraju meritev za električno poljsko jakost kot posledico uporabe enega ali več nizkofrekvenčnih virov sevanja najmanj pri eni frekvenci velja:
∑ �R �6S,R⁄ U 1R
0 V * V 60 �X
kjer je
�R – temenska vrednost električne poljske jakosti za frekvenčno območje 0 do 0,1 Hz
�6S,R – i-temu frekvenčnemu območju ustreza mejna vrednost električne poljske jakosti
6. Biološki učinki EMS
Raziskave, ki preučujejo možne biološke učinke zaradi izpostavljenosti elektromagnetnim sevanjem, lahko razdelimo v tri skupine:
- In vitro raziskave – na izoliranih komponentah bioloških sistemov (molekule, kulture celic, tkiva…), ki nudijo določen vpogled v mehanizme interakcij z elektromagnetnimi sevanji. Sistemi in vitro so preprosti, saj omogočajo kontroliranje bioloških spremenljivk in identifikacijo komaj opaznih učinkov, ki bi bila sicer prikrita zaradi homeostatičnih odzivov celega organizma. Medtem ko so in vitro študije pomembne za določanje mehanizmov interakcij in ugotavljanje ustreznih bioloških posledic ter pogojev izpostavljenosti, ki jih potrebno testirati na živalih, pa ne morejo služiti kot podlaga za določanje tveganja za možne učinke na človeku. Ugotovljene učinke v in vitro pogojih je potrebno preveriti še v in vivo pogojih.
26
- In vivo raziskave – na celovitih bioloških sistemih, kot so laboratorijske živali. Njihova velika izvedbena prednost je v izredno veliki kontroli nad laboratorijskimi pogoji, kjer so vsi parametri okolja in izpostavljenosti konstantni. Edina razlika med izpostavljeno in neizpostavljeno živaljo naj bi bila v izpostavljenosti EMS. Ker zaradi etičnih omejitev ni mogoče izvajati poskusov na ljudeh, so in vivo raziskave zelo uporabne za ocenjevanje tveganja za možne učinke in njihovo ekstrapolacijo na človeka. Vendar pa moramo vedeti, da so raziskave na živalih pri prenosu rezultatov na človeka omejeno uporabne, saj živali ne kažejo nujno enake občutljivosti in odzivov na EMS.
- Raziskave na ljudeh – laboratorijske raziskave na prostovoljcih ter epidemiološke raziskave na različnih skupinah ljudi v delovnem in bivalnem okolju.
Laboratorijske raziskave na prostovoljcih se izvajajo z njihovim soglasjem in nudijo izredno kontrolirane pogoje izpostavljenosti. Tovrstne raziskave so le omejeno uporabne.
Epidemiološke raziskave proučujejo vzorce in možne vzroke določenih obolenj pri izbrani populaciji ljudi. Navadno en del izpostavljene skupine ljudi EMS primerjajo z neizpostavljeno ali vsaj manj izpostavljeno skupino ljudi. Največja težava je zagotoviti dve popolnoma identični skupini v zadostnem številu, ki bi se razlikovali samo v izpostavljenosti EMS. To lahko predstavlja resni problem, ko raziskujemo zelo redka obolenja, še posebej posamezne vrste raka. Te raziskave lahko pokažejo na razlike v pogostosti obolenja, vendar pa je potem zelo težko pripisati vzroke za te razlike ravno EMS in ne kateremu drugemu dejavniku iz delovnega in bivalnega okolja, ki ni bil odkrit kot razlika med obema skupinama (n.pr. izpostavljenost kemikalijam).
6.1. Električno polje
Statična in počasi časovno spreminjajoča se električna polja vplivajo na ljudi na dva načina: 1. vpliv na površino telesa. Pride do naježenja dlak in drugih zaznavnih sprememb. Študija
na prostovoljcih, ki so jih izpostavili statičnim električnem poljem 40 kV/m je pokazala, da je prag zaznavanja znašal okrog 20 kV/m ter da so polja nad 25 kV/m povzročila neprijetno počutje (Clairmonz e tal.,1989).
2. indukcija površinskih nabojev na prevodnih objektih. V stiku s takim objektom lahko tokovi tečejo skozi ozemljenega človeka. Poljske jakosti, večje od 5-7 kV/m, lahko povzročijo številna tveganja, kot n.pr. šok pri razelektritvi z iskro in kontaktni tok ob dotiku z neozemljenimi prevodniki.
Predvsem so raziskovali vplive izpostavljenosti statičnim električnim in magnetnim poljem na cirkadiani ritem. Prostovoljce so za 3 do 8 tednov zaprli v posebno ekspozicijsko komoro. Pri
27
izpostavljenosti 600 V/m ni bilo opaziti nobenih sprememb v aktivnosti in telesni temperaturi v dnevnem delu cikla (Wever, 1970).
6.2. Magnetna polja
Predlagani so bili številni mehanizmi interakcij magnetnih polj z biološkimi sistemi. Znan je vpliv magnetnih polj na organske kemične reakcije, ki vključujejo par radikalov kot vmesno fazo, kar verjetno povečuje nastajanje prostih radikalov pri nizkih poljskih jakostih (McLauchlan, 1992). Biološki pomen tega učinka je potrebno raziskati. Naravna navzočnost kristalov feromagnetnega magnetita (�YZ[\) v živalskem tkivu je bila povezana s selitvenimi navadami rib in ptic; vendar pa še ni jasna njihova navzočnost ter vloga v tkivu človeških možganov (Kirschvink e tal., 1992). Gibanje v statičnem magnetnem polju inducira električna polja in tokove v tkivih, ki so jih prostovoljci lahko zaznali z očmi.
6.3. Akutni učinki
Na razpolago ni neposrednih eksperimentalnih dokazov o akutnem škodljivem učinku na človekovo zdravje zaradi kratkotrajne izpostavljenosti statičnim magnetnim poljem do približno 2T. Izpostavljanje prostovoljcev poljem do 0,15 T v času do ene ure ni povzročilo sprememb v izvajanju številnih miselnih nalog. Akutna izpostavljenost poljem do 1,5 T ni pokazala vplivov na telesno temperaturo, srčni utrip in krvni tlak. Poročali so o rahlem zmanjšanju srčnega utripa pri izpostavljenosti magnetnemu polju do 2T. Poskusi s sesalci, vključno z dvema vrstama primatov, potrjujejo, da ni vpliva na funkcije srca pri izpostavljenosti poljem, manjšim od 2T (WHO,1987, NRPB, 1993). Še posebej ni bilo zaznavnih sprememb srčne frekvence ali arterijskega krvnega tlaka pri opicah, izpostavljenim jakosti do 1,5 T.
Rezultati pazljivo izvedenih poskusov nam potrjujejo, da kljub dolgotrajni izpostavljenosti magnetnemu polju 1,5 T cirkadni ritem in spontano ter naučeno obnašanje glodalcev ostanejo nespremenjeni. Ta rezultat se ujema s tem, da pri izpostavljenosti preparacij izoliranega živca do približno 2T ni zaznati vpliva. Enako velja za elektroretinogramske odzive pri mačkah in veveričjih opicah pri izpostavljenosti do 1,5 T.
Ne moremo pa izključiti vplivov na obnašanje in delovanje srca pri izpostavljenosti magnetnim poljem nad 2T. Raziskava na zaposlenih, ki so delali v magnetnem polju približno 4T, je pokazala, da med hitrim premikanjem glave občutijo vrtoglavico in slabost v želodcu (Schenck, 1992). Pri zaposlenih, ki so v polju nepremično stali, do teh pojavov ni prišlo.
Med zelo hitrim premikanjem glave ali oči so bili ugotovljeni magnetofosfeni, ki so posledica induciranih šibkih električnih tokov v organih za vid pri zelo močnem magnetnem polju.
28
6.4. Učinki pri kronični izpostavljenosti
Na voljo je zelo malo eksperimentalnih podatkov o možnih učinkih izpostavljenosti magnetnim poljem. Do sedaj ni bilo ugotovljenih nobenih zapoznelih učinkov (WHO, 1987, NRPB, 1993).
Eksperimentalno povzročene spremembe v orientaciji statičnega magnetnega polja, ki so podobne jakosti zemeljskega polja, so vplivale na nočni nivo hormona melatonina pri glodalcih. Močnejše jakosti (do 2T) niso imele vpliva na nivo stresnih hormonov v krvi.
Kronična izpostavljenost do 2T nima za posledico zaznavnih učinkov na telesno težo, krvno sliko ali na imunski odziv. Rezultati pridobljeni z raziskavami na živalih kažejo, da ni pričakovati učinkov na vgnezdenje in razvoj embrija in fetusa pri izpostavljenosti magnetnim poljem do 1T v celotnem času brejosti.
Rezultati raziskav kažejo, da ni verjetno, da bi bila lahko statična magnetna polja mutagena (WHO; 1987, NRPB, 1993). Izpostavljenost moških spolnih celic in vitro poljem do 1T ni vplivala na smrtnost, niti na kromosomske aberacije, kakor tudi ne na izmenjavo sestrskih kromatidov pri in vitro in in vivo izpostavljenih celicah.
V prid dejstvu, da izpostavljenost statičnemu magnetnemu polju ne more povzročiti karcinogeneze, govori tudi pomanjkanje dokazov o pojavu mutagenosti. Magnetno polje do 1T ne vpliva na promocijo in progresijo tumorjev (NRPB, 1993).
29
6.5. Elektromagnetna polja električnih rotacijskih strojev
Elektromagnetno polje, ki ga ustvari električni rotacijski stroj v glavnem ni nevarno človeku, če se ne zadržuje dalj časa neposredno okrog motorja.
V nadaljevanju bodo prikazane magnetne razmere v okolici trifaznega in enofaznega asinhronskega motorja.
Slika 4: Porazdelitev magnetnega polja dvopolnega asinhronskega motorja
30
7. Opis meritve
7.1. Meritev gostote magnetnega polja B v okolici trifaznem motorju
Meritev sem opravljal v laboratoriju na Fakulteti za elektrotehniko. Meril sem magnetno polje okrog motorja (T90S4) z merilnikom PMM 8053.
Merilnik PMM 8053 je naprava, narejena po današnjih zmogljivostih tehnike. Zaradi močnega mikroprocesorja in velikega grafičnega ekrana, doseže dober prikaz v kombinaciji z majhnimi dimenzijami in enostavno uporabo. Notranja programska oprema se naloži s pomočjo računalnika in je ni težko posodobiti, tako da si naložimo najnovejšo verzijo preko svetovnega spleta iz spletne strani (www.pmm.com). V tabeli 5 vidimo osnovne lastnosti merilnika PMM 8053.
Slika 5: Merilnik PMM 8053
31
Tabela 5: Lastnosti merilnika PMM 8053
Vse meritve sem opravljal s sondo PMM EHP – 50C. S to sondo lahko merimo električno in magnetno polje od 5 Hz pa do 100 kHz. V tabeli 6 vidimo lastnosti sonde PMM EHP – 50C.
Slika 6: Sonda PMM EHP – 50C
32
Tabela 6: Lastnosti sonde PMM EHP – 50C
Elektromotor T90S4 je grajen za zaščitno stopnjo IP 54 po IEC 34-5. Zaščita IP 54 preprečuje dotik delov pod napetostjo ter dotik notranjih rotirajočih delov. Prav tako ne dopušča vdora škodljivega prahu in vode tudi pri škropljenju vode z vseh strani.
Ohišja statorjev, ležajni ščiti, noge, ventilatorji in ventilatorske kape so izdelani iz kvalitetne aluminijeve litine po postopku tlačnega litja. Ležajni ščiti in statorska ohišja so izvedeni s hladilnimi rebri. Na statorju in ležajnih ščitih so štiri ojačena rebra, skozi katera se s spojnimi vijaki privijejo stator in ležajna ščita. Nogi se naslanjata na ojačena rebra in sta pritrjeni z nožnimi vijaki na stator. Ležajni ščiti so v pestu ojačeni z obroči iz sintra. Noge se konstruirane tako, da so na notranji in zunanji strani ojačene z rebri. Ventilator na gredi elektromotorja omogoča zadosten pretok zraka in deluje neodvisno od smeri vrtenja. Ventilatorska kapa je pritrjena na ležajno držalo na strani N in je oblikovana tako, da usmerja hladilni zrak po površini elektromotorja..
33
Nazivni podatki merjenega motorja:
- P = 1,1/1,25 kW - U = D230/265V, Y400/460V - I = 4,8/2,8A - n = 1400/1690 1/min
Slika 7: Trifazni motor T90S4
Da sem meritev lažje in predvsem natančneje izvedel, sem naredil posebno stojalo (slika 8), na katero sem pritrdil merilno sondo. Opravil sem različne meritve, pri vseh pa sem meril gostoto magnetnega pretoka B.
a) meritev B pri konstantni razdalji (16 cm v ravnini pravokotno na rotor) v motorskem in generatorskem obratovanju;
b) meritev odvisnosti B od razdalje v ravnini pravokotno na rotor; c) meritev odvisnosti B od razdalje v osi rotorja; d) meritev B v prostem teku v odvisnosti od frekvence (20,50,80 Hz); e) merjenje frekvenčnega spektra B pri napetosti 100V, 220V, 260V.
34
7.2. Merjenje gostote magnetnega pretoka B pri konstantni razdalji
Slika 8: Prikaz meritve gostote magnetnega pretoka B pri konstantni razdalji 16 cm
Merjenje elektromotorja v obremenjenem stanju
a) Motorski režim delovanja
Vrtljaje sem spreminjal od 1400,2 vrt/min do 1489,3 vrt/min. Iz tabele 7 vidimo, da se moč ]$ in ]� zmanjšuje, kot tudi navor in tok. Napetost je približno konstantna. Gostota magnetnega pretoka B pa se z vrtljaji zmanjšuje od 25,82 µT do 17,82 µT.
Tabela 7: Delovanje elektromotorja v motorskem režimu
U (V) I (A) P1 (W) M (Nm) n (1/min) P2 (W) B (µT)399,95 3,230 1737,20 9,610 1400,2 1410,0 17,72400,72 2,880 1447,50 8,100 1420,6 1205,0 18,99401,51 2,596 1174,10 6,610 1438,9 996,3 20,24401,84 2,408 942,50 5,250 1454,2 798,7 21,69402,41 2,273 708,00 3,810 1468,8 585,9 23,22402,96 2,211 505,10 2,520 1480,7 391,1 24,25403,02 2,203 364,90 1,340 1489,3 208,9 25,82
35
b) Generatorski režim delovanja
Iz tabele 8 vidimo, da je napetost še vedno konstantna, vrtljaje povečujemo, moč ]$ in ]� se povečuje z negativnim predznakom, kot udi navor. Tudi sedaj se z vrtljaji povečuje B, in sicer od 27,61 µT pri 1501,2 vrt/min do 48,93 µT pri 1600,4 vrt/min.
Tabela 8: Delovanje motorja v generatorskem režimu
U (V) I (A) P1 (W) M (Nm) n (1/min) P2 (W) B (µT)403,36 2,233 161,53 -0,070 1501,2 -11,6 27,61404,02 2,323 -21,41 -1,270 1511,6 -201,3 29,07404,31 2,443 -183,99 -2,450 1520,4 -390,8 31,14404,85 2,656 -399,55 -4,040 1533,2 -648,3 32,69405,17 2,771 -500,10 -4,920 1539,7 -792,4 35,15405,67 3,030 -694,00 -6,470 1550,8 -1051,0 36,55405,47 3,206 -816,40 -7,490 1558,4 -1222,0 38,46405,67 3,425 -952,30 -8,690 1566,8 -1426,0 40,22405,69 3,621 -1062,30 -9,650 1573,6 -1591,0 42,43406,06 3,894 -1205,20 -11,070 1583,5 -1836,0 43,77405,59 4,059 -1287,00 -11,970 1590,0 -1994,0 47,03406,31 4,393 -1433,00 -13,510 1600,4 -2263,0 48,93
Opomba: negativni predznak pri ]$, ]� in M samo kaže na generatorsko obratovanje
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
1350,0 1400,0 1450,0 1500,0 1550,0 1600,0 1650,0
B(µT)
n(1/min)
Slika 9: Odvisnosti B od vrtljajev n
36
c) Prosti tek
Pri prostem teku sem napetost zmanjševal v področju od 478,43 V do 101,83 V. Pri tem sta se zmanjševala tok in moč ]$. Vrtljaji, navor in ]� pa so se zelo malo spreminjale. Gostota magnetnega pretoka B pa se je zmanjševala z napetostjo od 64,85 µT pri 478,43 V na 1,66 µT pri napetosti 101,83 V.
Tabela 9: Karakteristike motorja v prostem teku
U (V) I (A) P1 (W) M (Nm) n (1/min) P2 (W) B (µT)478,43 4,048 568,00 0,470 1497,6 73,1 64,85449,43 3,151 390,22 0,490 1497,3 76,0 45,74399,17 2,160 236,50 0,490 1496,4 75,9 25,40349,75 1,633 172,60 0,500 1495,7 78,3 16,28298,68 1,278 137,20 0,510 1493,7 79,7 11,36251,54 1,016 114,10 0,520 1491,1 80,5 7,65199,41 0,770 95,73 0,510 1485,2 79,2 4,93150,45 0,604 84,07 0,520 1472,1 79,9 2,78101,83 0,559 76,62 0,460 1433,3 69,5 1,66
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
478,43 449,43 399,17 349,75 298,68 251,54 199,41 150,45 101,83
B(µT)
U(V)
Slika 10: Odvisnosti B od napetosti U
37
7.3. Merjenje gostote magnetnega pretoka B v odvisnosti od razdalje
Pri tej meritvi sem meril B v točkah dveh namišljenih linijah J$ in J�, kot je prikazano na sliki 11.
Slika 11: Merjenje gostote magnetnega pretoka B v odvisnosti od razdalje =$ in =�
38
a) Merjenje gostote magnetnega pretoka B v liniji pravokotno na rotor
Meritev sem opravil tako, da sem sondo namestil pravokotno na rotor (slika 12). Nato sem sondo premikal po namišljeni liniji vstran od rotorja in odčitaval na merilniku gostoto magnetnega pretoka B. Iz tabele 10 in slike 13 vidimo, da je gostota magnetnega pretoka B največja zraven rotorja. Bolj ko gremo vstran od rotorja, bolj se gostota magnetnega pretoka B zmanjšuje.
Slika 12: Merjenje gostote magnetnega pretoka B v ravnini pravokotno na rotor
39
Tabela 10: Gostota magnetnega pretoka B na liniji pravokotno na rotor
d1 (cm) 1 5 10 16 20 25 30 35 40 45 50B (µT) 520 140 67 24,44 12,87 6,76 4,04 2,63 1,74 1,2 0,9
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
B(µ
T)
d1 (cm)
Slika 13: Gostota magnetnega pretoka B na liniji pravokotno na rotor
40
b) Merjenje gostote magnetnega pretoka na liniji v osi rotorja
Slika 14: Merjenje gostote magnetnega pretoka B v osi rotorja
Pri tej meritvi sem sondo postavil v os rotorja ter jo premikal vzdolž osi, vstran od rotorja. Iz tabele 11 in slike 15 vidimo, da je gostota magnetnega pretoka B dosti manjša od gostote magnetnega pretoka B pravokotno na rotor.
Tabela 11: Gostota magnetnega pretoka B v osi rotorja
d2 (cm) 1 5 10 16 20 25 30 35 40 45 50B (µT) 14,61 8,5 4,7 2,52 1,51 1,04 0,7 0,48 0,36 0,28 0,24
41
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
B(µT)
d2(cm)
Slika 15: Gostota magnetnega pretoka B v osi rotorja
Iz slik 14 in 15 vidimo, da je gostota magnetnega polja B dosti večja v primeru, ko smo sondo merilnika imeli pravokotno na rotor, kot pa v primeru v osi rotorja. Glavni razlog za to pa je, da se silnice magnetnega polja zaključujejo v ravnini pravokotno na rotor, ne pa v osi rotorja.
7.4. Merjenje prostega teka pri različnih napajalnih frekvencah
Pri tej meritvi sem povečeval frekvenco od 10 do 90 Hz. Istočasno s frekvenco se je spreminjala tudi napetost, tok in moč ]$ sta se pri tem zmanjševala, navor pa je ostal konstanten. Vrtljaji so se povečevali s frekvenco, prav tako moč ]�. Gostota magnetnega pretoka B pa se je s frekvenco zmanjševala. Iz slike 17 vidimo, da se je napetost povečevala, tok pa zmanjševal, pri frekvenci 50 Hz pa sta tok in napetost približno konstantna. Iz slike 18 pa vidimo, da je s povečanjem toka gostota magnetnega pretoka padala.
42
Slika 16: Frekvenčni pretvornik KEB 56
Tabela 12: Prosti tek s frekvenčnim pretvornikom
U (V) I (A) P1 (W) M (Nm) n (1/min) P2 (W) f (Hz) B (µT)238,0 3,136 313,06 0,480 318,0 15,83 10,000 53,63320,7 3,003 325,83 0,480 639,0 31,81 21,409 53,19375,8 2,748 308,74 0,460 915,7 44,11 30,657 36,94422,9 2,468 290,89 0,470 1214,4 59,28 40,613 34,33462,9 2,283 296,35 0,510 1501,7 80,10 50,238 11,80463,1 1,672 243,56 0,470 1820,7 88,88 60,901 11,20462,7 1,480 247,48 0,480 2094,7 105,00 70,192 6,52461,8 1,389 266,75 0,480 2400,5 121,10 80,640 4,90461,4 1,371 296,57 0,500 2682,8 141,40 90,126 2,55
43
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
500,0
3,136 3,003 2,748 2,468 2,283 1,672 1,480 1,389 1,371
U(V)
I(A)
Slika 17: Napetost v odvisnosti od toka
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
3,136 3,003 2,748 2,468 2,283 1,672 1,480 1,389 1,371
B(m
T)
I(A)
Slika 18: Gostota magnetnega pretoka B v odvisnosti od I
Z merilnikom PMM 8053 lahko vidimo tudi sestavo harmonika B pri različnih frekvencah. V našem primeru smo gledali sestavo harmonika B pri napajalni frekvenci 20, 50 in 80 Hz. Na slikah 19, 20 in 21 nam abscisna os predstavlja frekvenco v Hz, ordinatna os (v logaritemskem
merilu) pa gostoto magnetnega pretoka B v µT.
Slika 19: Sestava harmonika
Slika 20: Sestava harmonika
: Sestava harmonika B pri 20 Hz
: Sestava harmonika B pri 50 Hz
44
Slika 21: Sestava harmonika
Iz slik 19, 20 in 21 lahko razberemoSlika 19, nam prikazuje sestavo harmonikovharmonik 60Hz, peti harmoniksestavo harmonikov B, vendar zaharmonik 150Hz, vrednost peprikazuje sestavo harmonikov harmonik 240Hz, medtem ko ima
: Sestava harmonika B pri 80 Hz
lahko razberemo sestavo višjih harmonikov B pri različnihnam prikazuje sestavo harmonikov pri 20Hz, kjer je osnovni harmonik 20Hz,
harmonik pa ima vrednost 100Hz. Slika 20 nam prav tako , vendar za napajanje 50Hz, kjer je osnovni harmonik 50Hz, tretji
harmonik 150Hz, vrednost petega harmonika pa je 250Hz. Zadnja slika, azuje sestavo harmonikov B pri 80Hz. Osnovni harmonik ima vrednost
medtem ko ima peti harmonik vrednost 400Hz.
45
pri različnih frekvencah. osnovni harmonik 20Hz, tretji
nam prav tako prikazuje napajanje 50Hz, kjer je osnovni harmonik 50Hz, tretji
tega harmonika pa je 250Hz. Zadnja slika, slika 21, da nam ima vrednost 80Hz, tretji
7.5. Merjenje frekvenčnega spektra pri napetosti 100V, 220V, 260V
Pri tej meritvi smo gledali sestavo harmonika 260V). Na slikah 22, 23, 24
v Hz, ordinatna os pa gostoto magnetnega pretoka
Slika 22: Sestava harmonika
Merjenje frekvenčnega spektra pri napetosti 100V, 220V, 260V
Pri tej meritvi smo gledali sestavo harmonika B pri različnih faznih napetostNa slikah 22, 23, 24 nam abscisna os (v logaritemskem merilu)
v Hz, ordinatna os pa gostoto magnetnega pretoka B v µT.
: Sestava harmonika B pri fazni napetosti 100V
46
Merjenje frekvenčnega spektra pri napetosti 100V, 220V, 260V
pri različnih faznih napetosti (100, 220 in (v logaritemskem merilu) predstavlja frekvenco
Slika 23: Sestava harmonika
Slika 24: Sestava harmonika
Iz slik 22, 23 in 24 prav tako vidimo sestavo harmonikovnapetosti. Iz slik vidimo, da se s povečanjem fazne napetosti tudi večajo harmonikise povečuje gostota magnetnega pretoka
: Sestava harmonika B pri fazni napetosti 220V
: Sestava harmonika B pri fazni napetosti 260V
av tako vidimo sestavo harmonikov B, ampak pri različnih faznih napetosti. Iz slik vidimo, da se s povečanjem fazne napetosti tudi večajo harmonikise povečuje gostota magnetnega pretoka B.
47
ampak pri različnih faznih napetosti. Iz slik vidimo, da se s povečanjem fazne napetosti tudi večajo harmoniki. Prav tako
48
7.6. Meritev gostote magnetnega polja B pri enofaznem motorju ESK 90 S4
Enofazni motorji so po konstrukcijski izvedbi podobni trifaznim elektromotorjem. Normalna oblika je IM B3, zaščitna stopnja pa IP 54. Kondenzatorji so pritrjeni na zgornji strani ohišja statorja s posebnimi objemkami in spojeni s priključno sponko v omarici. Avtomatska termična zaščita stikala in termična tipala so vgrajena v navitja elektromotorjev. Elektromotorji ESK in EKSK imajo vgrajeno centrifugalno stikalo v ležajnem ščitu na strani N.
Nazivni podatki merjenega motorja:
- P = 0,55 kW - U = 230V - I = 5,7 A - n = 1430 1/min
Slika 25: Enofazni motor ESK 90 S4
49
Pri analizi magnetnega polja v okolici enofaznega elektromotorja sem opravil podobne meritve, kot pri trifaznem motorju.
7.7. Merjenje B v obremenjenem stanju in v prostem teku elektromotorja
a) Motor v obremenjenem stanju
Vrtljaje sem spreminjal od 1500 vrt/min do 1290 vrt/min. Iz tabele 12 vidimo, da se je moč ]� povečevala, kot tudi navor in tok. Napetost je konstantna. Gostota magnetnega pretoka B se je
povečevala od 23,23 µT do 32,50 µT, vrtljaji pa so se zmanjševali iz 1500 vr/min na 1290 vrt/min.
Tabela 13: Delovanje elektromotorja v obremenjenem stanju
U (V) I (A) P2 (kW) M (Nm) n (1/min) B (µT)220,00 4,620 0,15 / 1500,0 23,23220,00 4,980 0,63 2,500 1460,0 23,70220,00 6,180 0,97 4,000 1420,0 25,05220,00 7,700 1,29 5,000 1370,0 27,60220,00 9,870 1,67 5,500 1290,0 32,50
Slika 26: Odvisnost B od vrtljajev pri obremenjenem elektromotorju
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
1250,0 1300,0 1350,0 1400,0 1450,0 1500,0 1550,0
B( µµ µµT)
n(1/min)
50
b) Merjenje elektromotorja v prostem teku
Pri prostem teku sem napetost zmanjševal v področju od 260V do 80V. Pri tem sta se zmanjševala tok in moč ]�, prav tako tudi vrtljaji. Gostota magnetnega pretoka B je bila izmerjena na oddaljenosti 16 cm in se je zmanjševale z napetostjo.
Tabela 14: Karakteristike motorja v prostem teku
U (V) I (A) P2 (W) n (1/min) B (µT)
260,00 6,900 440,00 1490,0 62,20230,00 4,800 288,00 1489,0 35,60220,00 4,440 257,00 1489,0 30,88200,00 3,730 218,00 1480,0 24,32150,00 2,530 154,10 1454,0 13,33100,00 1,910 126,00 1416,0 6,3380,00 2,000 128,00 1400,0 4,77
Slika 27: Odvisnost B od napetosti U
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00
B(µ(µ (µ(µT)
U(V)
51
7.8. Merjenje gostote magnetnega pretoka B v odvisnosti od razdalje
a) Merjenje gostote magnetnega pretoka B na liniji pravokotno na rotor
Sondo sem postavil v liniji pravokotno na sredino rotorja, nato sem sondo odmikal vstran od motorja. Iz tabele 15 vidimo, da je gostota magnetnega pretoka B največja pri motorju z razdaljo pa zelo hitro pada.
Tabela 15: Gostota magnetnega pretoka B na liniji pravokotno na rotor
d1 (cm) 1,0 5,0 10,0 16,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 B (µT) 358,4 100,5 35 12,54 6,99 3,72 3,72 2,21 1,39 1,02 0,92
Slika 28: Gostota magnetnega pretoka B v liniji pravokotno na rotor
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
B( µµ µµT)
d1(cm)
52
b) Merjenje gostote magnetnega pretoka B na liniji v osi rotorja
Pri tej meritvi sem sondo postavil v os rotorja in jo premikal vzdolž osi rotorja. Iz tabele 16 vidimo, da je gostota veliko manjša, kot pa na liniji pravokotno na rotor.
Tabela 16: Gostota magnetnega pretoka B v osi rotorja
d2 (cm) 1,0 5,0 10,0 16,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 B (µT) 3,47 2,4 1,7 1,25 1,0 0,88 0,8 0,73 0,67 0,61 0,56
Slika 29: Gostota magnetnega pretoka B v osi rotorja
Iz slike 28 in 29 lahko, prav tako kot pri trifaznem motorju vidimo, da je gostota magnetnega pretoka B večja v liniji pravokotno na rotor, kot pa v osi rotorja. Pri enofaznem motorju lahko prav tako sklepamo, da se silnice zaključuje v ravnini pravokotno na rotor, ne pa v osi rotorja.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
B( µµ µµT)
d2(cm)
53
8. Zaključek
Na podlagi opravljenih meritev lahko ugotovimo, da se B v okolici elektromotorja spreminja, tako v odvisnosti od razdalje, kot v odvisnosti od U, f in obremenitve. To velja tako za trifazni motor, kot za enofazni motor.
Največja vrednost B v okolici motorja je dosežena v neposredni bližini motorja, ki potem pada, in sicer hitreje v vzdolžni kot pa v prečni smeri motorja.
54
9. Literatura
[1] Gajšek P., Miklavčič D.: Vpliv neionizirnih elektromagnetnih sevanj na biološke sisteme, Ljubljana, (1999)
[2] Gajšek P.: Izhodišča za določitev mejnih vrednosti nizkofrekvenčnih elektromagnetnih sevanj, Elektrotehniški vestnik 61(4), (1994)
[3] Pravilnik o prvih meritvah in obratovalnem monitoringu za vir elektromagnetnega sevanja ter pogoji za njihovo izvajanje; Uradni list Republike Slovenije, št.70, 5933-5936, leto VI 6. december (1996)
[4] Piotrovskij L.M.: Električki strojevi, Zagreb, (1979)
[5] Srb N.: Magnetski monitoring električnih rotacijskih strojeva, Zagreb, (2004)
[6] www.pmm.com
[7] www.siq.si
55
