Дисертації з теми "Електромагнітний перетворювач"

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) зі спеціальності 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. В роботі розроблена фізико-математична модель електромагнітного перетворювача з неоднорідним розподілом електромагнітного поля провідника зі струмом, розташованого уздовж бічної поверхні циліндричного виробу на деякій відстані d від центра металевого циліндра радіуса a. Отримано математичні вирази для визначення напруженості магнітного поля для r-ї і φ-ї складової, створюваного струмом одного провідника або полюса. Проведено облік товщини стрічки полюса, який призводить до заміни в формулах для напруженості поля значення r на деякий ефективний радіус. Отримано математичні вирази для амплітуди і фази n-ї просторової гармоніки сигналу перетворювача, що наводиться в вимірювальних обмотках, розташованих уздовж поверхні циліндричного об'єкту контролю з кутовою координатою φ по колу радіуса d. Для підтвердження адекватності запропонованої моделі перетворювача проведені експерименти, які показали хороший збіг між розрахунковими і експериментальними значеннями ЕРС сигналу перетворювача. Так, наприклад, для вимірювальних обмоток, з кутовими координатами φ = 0° і φ = 180° розбіжність значень напруг склала не більше 5%, а для обмоток з розташуванням по φ = 30°, 60°, 300° і 330° розбіжність склала не більше 10%. Розроблено метод на основі електромагнітного перетворювача з двома полюсами і різним напрямком струму. Отримано універсальні функції перетворення з використанням 1-ї і 3-ї просторових гармонік, а також запропонований алгоритм реалізації багатопараметрового контролю параметрів циліндричних виробів.
Dissertation for the degree of candidate of technical sciences (doctor of philosophy) in specialty 05.11.13 – instruments and methods of substance composition control and determination. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2019. The physic-mathematical model of an electromagnetic transducer with non-uniform distribution of an electromagnetic field for a conductor with a current located along the lateral surface of a cylindrical product at a distance d from the center of a metallic cylinder of radius a. Mathematical expressions are obtained to determine the intensity of the magnetic field for r-th and φ-th components, generated by the current of one conductor (or pole with finite angular dimensions). The thickness of the pole with a total current is taken into account, which leads to the replacement of r quantity in the formulas for field strength by effective radius. Mathematical expressions are obtained to determine amplitude and phase of transducer’s signal n-th spatial harmonics, which are generated in the measuring windings located along the surface of the cylindrical object with the angular coordinate φ on a circle of radius d. Experiments have been carried out to confirm the adequacy of the transducer’ proposed model, which showed the difference between the calculated and experimentally obtained values of the EMF of the transducer’ output signal. For instance, for measuring windings with angular coordinates φ = 0° і φ = 180° difference of voltage values is less than 5% and for measuring windings with angular coordinates φ = 30°, 60°, 300° і 330° difference is less than 10%. The method based on the electromagnetic transducer with two magnetized poles and a different direction of current is developed. The universal functions of conversion with use of 1-st and 3-rd spatial harmonics are obtained, also the algorithm of realization of cylindrical wares’ parameters multi-parameter control is offered.

У дисертаційній роботі представлені науково-технічні результати дослідження електромагнітного багатопараметрового перетворювача для визначення параметрів циліндричних металевих виробів, принцип роботи якого ґрунтується на виділенні амплітуди та фази просторових гармонік неоднорідного магнітного поля, представленого у вигляді ряду Фур'є. Об'єкт дослідження достатньо повно описаний в науковій літературі. Показано, що подальше збільшення інформаційних параметрів, які контролюються одним перетворювачем може здійснюватися декількома шляхами. Наприклад, використання для живлення перетворювача струмом різних частот з подальшою фільтрацією і виділенням амплітуди і фази на кожній частоті. Така реалізація багатопараметрових датчиків досить складна і не завжди відображає справжню картину процесів, що відбуваються в об'єкті контролю через різну глибину проникнення поля (скін-ефект). Показано, що застосування результатів дослідження дає можливість отримати більш повну інформацію про об'єкт контролю, яка не могла бути отримана при використанні традиційних методів. Тому, застосування розробленого методу, є перспективним. В роботі розроблена фізико-математична модель електромагнітного перетворювача з неоднорідним розподілом електромагнітного поля для провідника зі струмом, розташованого уздовж бічної поверхні циліндричного виробу на деякій відстані d від центра металевого циліндра радіуса a. Вирішена просторова задача розподілу змінного в часі магнітного поля і отримані вирази, за якими можна обчислити функції для будь-якої просторової гармоніки, за якими можна скласти картину розподілу поля в будь-який області (всередині виробу, між виробом і провідником зі струмом, а також поза цим провідником). Отримано математичні вирази для визначення напруженості магнітного поля для r-ї і φ-ї складової, створюваного струмом одного провідника (або полюса з кінцевими кутовими розмірами). Проведено облік товщини стрічки полюса з сумарним струмом, який призводить до заміни в формулах для напруженості поля значення r на деякий ефективний радіус. Отримано математичні вирази для амплітуди і фази n-ї просторової гармоніки сигналу перетворювача, що наводиться в вимірювальних обмотках, розташованих уздовж поверхні циліндричного об'єкту контролю з кутовою координатою φ на окружності радіуса d. Для підтвердження адекватності запропонованої моделі перетворювача проведені експерименти, які показали відмінність між розрахунковими і експериментально отриманими значеннями ЕРС вихідного сигналу перетворювача. Так, наприклад, для вимірювальних обмоток, з кутовими координатами φ = 0° і φ = 180° розбіжність значень напруг склала не більше 5%, а для обмоток з розташуванням по φ = 30°, 60°, 300° і 330° розбіжність склала не більше 10%. Запропоновано також прийоми і способи виділення необхідних просторових гармонік і приглушення гармонік з високими номерами. Останнє дозволяє знизити вплив вищих просторових гармонік до 1%. Для виключення з картини просторового розподілу поля парних або непарних гармонік запропоновано використовувати систему провідників з однаковими і протилежними напрямками струмів в них. Отримано універсальні функції перетворення для амплітуди і фази n-ї складової гармоніки для перетворювача. Розроблено метод спільного контролю електричних (σ), магнітних (μr) і геометричних (а) параметрів циліндричних виробів, на основі перетворювача з одним намагнічувальним полюсом при використанні 1-ї і 2-ї просторових гармонік, який дозволяє однозначно вирішувати задачу багатопараметрового контролю для широкого сортименту виробів, різних конструкцій і режимів роботи перетворювачів. Розроблено метод на основі електромагнітного перетворювача з двома намагнічувальними полюсами і різним напрямком струму. Отримано універсальні функції перетворення з використанням 1-ї і 3-ї просторових гармонік, а також запропонований алгоритм реалізації багатопараметрового контролю параметрів циліндричних виробів. Визначено чутливості методу і знайдено раціональні режими роботи перетворювача. Виконано розрахунок і показано вплив вищих гармонік поля на вихідні сигнали перетворювача. Так, наприклад, для перетворювача з одним збуджувальним провідником, відкидання 3-ї гармоніки призведе до похибки розрахунку результуючої ЕРС, яка дорівнює 5%, а для перетворювача з двома збуджувальними провідниками, при відкиданні 5-ї гармоніки, становить 1,5%. Розроблено макет лабораторної установки з електромагнітним перетворювачем з просторово-періодичною структурою поля і проведені експериментальні дослідження по визначенню μr σ, і а з імітаційними зразками різного сортаменту для підтвердження адекватності розробленого методу. Наведена конструкція електромагнітного перетворювача з двома збуджувальними полюсами і різним напрямком намагнічувального струму з використанням амплітуди 1-ї і 3-ї просторових гармонік і фази 1-ї гармоніки. Оскільки безпосередньо оцінити похибки контролю μr, σ і а для розробленого багатопараметрового перетворювача досить складно, в роботі проведено вимірювання цих же параметрів контрольними методами. Так для визначення а досліджуваного зразка використовувався мікрометр з діапазоном вимірювання діаметра (50 ± 0,01) мм, для визначення σ циліндричного зразка використовувався контактний електричний метод на базі потенціометра постійного струму Р363-3, з класом точності 0,005, а для визначення μr використовувався метод амперметра - вольтметра для кільцевого зразка. Показано, що застосування розробленого перетворювача дозволяє отримувати найбільш повну інформацію про стан повітряних ліній електропередач, тобто визначати μr, σ, і a циліндричних дротів, а також корельованих з ними механічним навантаженням, температурою, величиною струму, що протікає в лінії та визначення питомих електричних втрат при діагностиці стану повітряних ліній електропередач, що підтверджується актом впровадження від 18.12.2015р (договір № 377551 від 27.07.2015р між НТУ «ХПІ» та ПАТ «Укргідропроект» м. Харків).
The dissertation presents the scientific and technical results of the study of the electromagnetic multi-parameter transducer for the cylindrical metal products parameters determining, which principle is based on the allocation of the amplitude and phase of the spatial harmonics of a nonuniform magnetic field presented in the form of a Fourier series. The object of the study is in the full extent described in the scientific literature. It is shown that further increase of information parameters controlled by one transducer can be carried out in several ways. For example, the use of different frequency to power the transducers, signal filtering and separation of amplitude and phase at each frequency. Such implementation of multiparameter sensors is quite complicated and does not always give the true picture of the processes taking place in the controlled object due to the different depth of field penetration (skin effect). It has been shown that the application of the study results provides an opportunity to obtain more information about the studied object that could not be obtained by using traditional methods. Therefore, the application of the developed method is promising. The physic-mathematical model of an electromagnetic transducer with non-uniform distribution of an electromagnetic field for a conductor with a current located along the lateral surface of a cylindrical product at a distance d from the center of a metallic cylinder of radius a. The spatial problem of the distribution of a magnetic field variable in time is solved and expressions allowing calculating the functions for any spatial harmonic are obtained and it is possible to make a picture of the distribution of the field in any area (inside the product, between the product and conductor with current, as well as beyond this conductor). Mathematical expressions are obtained to determine the intensity of the magnetic field for r-th and φ-th components, generated by the current of one conductor (or pole with finite angular dimensions). The thickness of the pole with a total current is taken into account, which leads to the replacement of r quantity in the formulas for field strength by effective radius. Mathematical expressions are obtained to determine amplitude and phase of transducer’s signal n-th spatial harmonics, which are generated in the measuring windings located along the surface of the cylindrical object with the angular coordinate φ on a circle of radius d. Experiments have been carried out to confirm the adequacy of the transducer’ proposed model, which showed the difference between the calculated and experimentally obtained values of the EMF of the transducer’ output signal. For instance, for measuring windings with angular coordinates φ = 0° і φ = 180° difference of voltage values is less than 5% and for measuring windings with angular coordinates φ = 30°, 60°, 300° і 330° difference is less than 10%. Methods and algorithms of allocating the necessary spatial harmonics and eliminating harmonics with high numbers are offered also. The latter allows us to reduce the influence of the higher spatial harmonics down to 1%. To exclude from the spatial distribution of the field odd or even harmonics it is suggested to use a system of conductors with the same and opposite directions of currents in them. The universal transformation functions for the amplitude and phase of the n-th harmonic component for the transducer are obtained. Method is developed for simultaneous testing electrical (σ), magnet (μr) and geometrical (а) parameters of cylindrical objects, by the use of transducer with on magnetizing pole considering 1-st and 2-nd spatial harmonics, which allows unambiguously solve the task of multi-parameter testing for a wide variety of products, various designs and modes of operation of transducers. The method based on the electromagnetic transducer with two magnetized poles and a different direction of current is developed. The universal functions of conversion with use of 1-st and 3-rd spatial harmonics are obtained, also the algorithm of realization of cylindrical wares’ parameters multi-parameter control is offered. The sensitivity of the method is determined and rational modes of transducer operation are found. The calculation is performed and the effect of the higher harmonics of the field on the output signals of the transducer is shown. For example, for a transducer with one excitation wire, the rejection of the 3-rd harmonic will result in an error of the resulting EMF calculation equal to 5%, and for a transducer with two excitatory wires, when the 5-th harmonic is rejected, it is 1.5%. A layout of a laboratory unit with an electromagnetic transducer with a spatial-periodic field structure was developed and experimental studies were carried out to determine μr σ, and а with simulation samples of different sorts to confirm the adequacy of the developed method. The construction of an electromagnetic transducer with two excitation poles and a different direction of the magnetizing current with the use of the amplitude of the 1-st and 3-rd spatial harmonics and the 1-st harmonic phase is presented. As soon as direct estimation of error of testing μr, σ and а for the developed multi-parameter transducer is quite complicated, in the work the measurements of these parameters were carried out by control methods. So, to estimate а of the studied sample micrometer with a diameter measuring range (50 ± 0,01) mm was used, to estimate σ of a cylindrical sample, a contact electric method was used based on the potentiometer of direct current Р363-3 (R363-3), having accuracy class of 0,005, to estimate μr the method of an ammeter – voltmeter for a ring sample was used. It is shown that implementation of the developed transducer allows to receive the most complete information about the condition of electric power lines, that is to define μr, σ, and a of cylindrical wires, as well as the mechanical load, temperature, magnitude of the current flowing in the line correlated with them and the determination of specific electrical losses during the diagnosis of the state of electric power lines, as evidenced by the implementation act dated 18.12.2015 (agreement № 377551 dated 27.07.2015 between NTU “KhPI” and PJSC “Ukrhydroproekt” city of Kharkiv).

Магнітні системи електромагнітно-акустичних ЕМА датчиків систем неруйнівного контролю повинні забезпечувати адаптивну регулювання магнітної індукції в контрольованому об'єкті з метою вибору її оптимального значення.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.11.13 «Прилади і методи контролю та визначення складу речовин» – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». Дисертація присвячена розробці нових ультразвукових електромагнітно-акустичних перетворювачів з джерелом імпульсного поляризуючого магнітного поля, методів підвищення чутливості контролю та діагностики металовиробів з використанням перетворювачів такого типу. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів контролю та діагностики електромагнітно-акустичним методом [1–3] феромагнітних і електропровідних або тільки електропровідних виробів в умовах дії постійних та імпульсних поляризуючих магнітних полів з урахуванням наявності когерентних завад різного типу, технічного рівня сучасних електромагнітно – акустичних перетворювачів, схемотехнічних рішень засобів їх живлення, прийому з виробів ультразвукових імпульсів та їх обробки, визначення відомих переваг, недоліків та можливостей використання в дослідженнях і розробках. Визначені та обґрунтовані напрямки дисертаційного дослідження: розробка електромагнітно-акустичного перетворювача у вигляді спрощеної одновиткової моделі [4] джерела магнітного поляризуючого поля з феромагнітним осердям та високочастотною котушкою, яка розміщена між осердям та металовиробом; шляхом моделювання [5] розподілення індукції поляризуючого магнітного поля на торці осердя джерела магнітного поля та в поверхневому шарі як феромагнітного так і неферомагнітного металовиробу визначено особливості розташування високочастотної котушки індуктивності під джерелом магнітного поля для ефективного збудження зсувних ультразвукових імпульсів (в центральній частині торця феромагнітного осердя) або поздовжніх ультразвукових імпульсів (біля периферійної частини торця феромагнітного осердя) [6]. Збільшення кількості витків котушки намагнічування при наявності феромагнітного осердя призводить до значного збільшення часу перехідних процесів при включенні живлення імпульсного джерела поляризуючого магнітного поля і при його виключенні. В результаті час дії імпульсу живлення збільшується до 1 мс і більше, що призводить до збільшення сили притягування ЕМАП до феромагнітного виробу, додаткових втрат електроенергії, погіршенню температурного режиму перетворювача. Для зменшення часу дії імпульсу живлення джерела магнітного поля необхідно зменшувати кількість витків котушки намагнічування, але це призводить до зменшення величини магнітної індукції навіть при наявності феромагнітного осердя. В результаті раціонального вибору конструкції джерела магнітного поля встановлена необхідність виконання його котушки намагнічування плоскою двовіконною трьохвитковою і виготовляти з високоелектропровідного високотеплопровідного матеріалу [7-9]. Осердя повинно бути розміщено в вікнах котушки намагнічування тільки торцями. В результаті час дії імпульсу намагнічування зменшено до 200 мкс, що достатньо для контролю виробів товщиною до 300 мм. Високочастотна котушка індуктивності виконана з двома лінійними робочими ділянками, які розташовуються під вікнами котушки намагнічування [9]. При протилежних напрямках високочастотного струму в цих робочих ділянках в поверхневому шарі виробу збуджуються синфазні потужні імпульси зсувних ультразвукових хвиль. При цьому відношення збуджуваних амплітуд зсувних та поздовжніх імпульсів перевищує 30 дБ. Тобто когерентні імпульси поздовжніх хвиль при контролі луна методом практично не будуть впливати на результати діагностики феромагнітних виробів. Розроблені варіанти конструкцій електромагнітно-акустичних перетворювачів з одновитковими [7], двовитковими [8] та трьохвитковими [9] котушками намагнічування джерела імпульсного поляризуючого магнітного поля. При одновитковій котушці [7] перехідні процеси при включенні імпульсу живлення мінімальні. Проте необхідно збуджувати в котушці струм з силою в кілька кА, що ускладнює температурний режим перетворювача та апаратуру живлення. При трьохвитковій котушці [9] намагнічування амплітуда донних імпульсів по відношенню до амплітуди завад перевищує 24 дБ, що дозволяє проводити контроль та діагностику значної кількості металовиробів. При використанні шихтованого осердя [9] відношення амплітуд корисного сигналу і шуму збільшилося до 38 дБ, що дає можливість проводити ультразвуковий контроль лунаметодом. Розроблено метод [10 ] ультразвукового електромагнітно- акустичного контролю феромагнітних виробів, суть якого заключається в збудженні ультразвукових імпульсів шляхом формування в поверхневому шарі феромагнітного виробу двох рядом розташованих короткочасно намагнічених ділянок з протилежним напрямком векторів магнітної індукції поляризуючого поля, збудженні в намагнічених ділянках пакетних імпульсів електромагнітного поля з протилежно направленими векторами напруженості тривалістю в кілька періодів високої частоти заповнення, при цьому збудження імпульсів електромагнітного поля виконують в момент часу, який дорівнює часу перехідних процесів з встановлення робочої величини індукції поляризуючого магнітного поля, а прийом ультразвукових імпульсів відбитих з виробу виконується в період часу tпр, який визначається за виразом T – t1 – t2 – t3 < tпр = t1 + t2 + t3 + 2H/C, де Т – тривалість імпульсу намагнічування; t1 – час перехідних процесів з встановлення робочої величини індукції поляризуючого магнітного поля; t2 – час дії пакетного імпульсу електромагнітного поля; t3 – час затухаючих коливань в плоскій високочастотній котушці індуктивності; Н – товщина виробу або відстань в об’ємі виробу, які підлягають ультразвуковому контролю; С – швидкість поширення зсувних ультразвукових хвиль в матеріалі виробу. Встановлено [9] [9], що завади в феромагнітному осерді, обумовлені ефектом Баркгаузена та магнітострикційним перетворенням електромагнітної енергії в ультразвукову при збудженні ультразвукових імпульсів, практично виключаються за рахунок виготовлення осердя шихтованим, матеріал пластин осердя повинен мати низький коефіцієнт магнітострикційного перетворення, пластини осердя повинні бути орієнтовані перпендикулярно провідникам робочих ділянок плоскої високочастотної котушки індуктивності, а також заповненням щілин між пластинами осердя рідиною із значною густиною, наприклад гліцерином. Показано, що чутливість прямих ЕМА перетворювачів з імпульсним намагнічуванням при живленні розробленим генератором пакетних зондуючих високочастотних імпульсів [11 ] та прийомі малошумлячим підсилювачем [12 ] забезпечують виявлення плоскодонних відбивачів діаметром 3 мм і більше при частоті зондування 40 Гц, піковому високочастотному струмі 120 А, частоті зсувних лінійно поляризованих ультразвукових коливань 2,3 МГц, тривалості високочастотного пакетного імпульсу 6…7 періодів частоти заповнення, тривалості імпульсу намагнічування 200 мкс, густині струму намагнічування 600 А/мм2 та при зазорі між ЕМАП і виробом 0,2 мм [9] [9]. При цьому амплітуда луна імпульсу відбитого від дефекту по відношенню до амплітуди завад досягає 20 дБ. Розроблені ЕМАП захищені 2 патентами на корисну модель.
Thesis for a Candidate Degree in Engineering (Doctor of Philosophy), specialty 05.11.13 "Devices and methods of testing and determination of composition of substances" - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The dissertation is devoted to development of new ultrasonic electromagnetic-acoustic transducers with a source of pulsed polarizing magnetic field, methods of sensitive testing and diagnostics of metalware with the use of transducers of this type. Analytical review and analysis of modern means and methods of testing and diagnostics via electromagnetic-acoustic method [1-3] of ferromagnetic and electrically conductive or strictly electrically conductive products under conditions of impact of constant and pulse polarizing magnetic fields taking into account the presence of coherent interferences of different types, technical level of modern electromagnetic circuits, means of their power supply, reception of ultrasonic pulses from metalware and their processing, determination of known advantages and disadvantages, and opportunities of their use in research and development. The direction of the research is defined and justified: development of electromagnetic-acoustic transducer in the form of a simplified single-wind coil model [4] of a source of a magnetic polarizing field with a ferromagnetic core and a high-frequency coil, which is located between the core and the sample; by modeling [5] the distribution of induction of polarizing magnetic field at the end face of the core of the magnetic field source and in the surface layer of both ferromagnetic and non-ferromagnetic metallurgy the features of the location of the high frequency coil of inductance under the magnetic field source are effectively determined for the effective excitation of shear ultrasonic pulses (near the peripheral end of the ferromagnetic core) [6]. The increase in number of winds of magnetization coil in presence of a ferromagnetic core leads to a significant increase in time of transients during the process of powering of a pulsed source of a polarizing magnetic field and during its switching off. As a result, the duration of the power pulse increases to 1 ms or more, which leads to an increase in the force of attraction of EMAP to the ferromagnetic product, additional losses of electricity, deterioration of temperature conditions of the transducer. To reduce the duration of powering pulse of magnetic field it is necessary to reduce the number of winds of the magnetizing coil, but this leads to a decrease in magnetic induction magnitude, even in presence of a ferromagnetic core. As a result of rational choice of the design of the magnetic field source, the flat coil of magnetization must be made with a two-window three-wind and made of high-conductive high-heat-conducting material [7-9]. The core should be placed in the windows of the magnet coil only by the ends. As a result, the action time of the magnetization pulse is reduced to 200 μs, which is sufficient for testing of samples up to 300 mm thick. The high-frequency inductor coil is made of two linear working sections that are located under the windows of the coil [9]. In opposite directions of high-frequency current in these working areas, in-phase powerful pulses of shear ultrasonic waves are excited in the surface layer of the product. The ratio of the excited amplitudes of the shear and longitudinal pulses exceeds 30 dB. That is, the coherent pulses of longitudinal waves in the testing of the moon by the method will practically not affect the results of the diagnosis of ferromagnetic products. Design variants of electromagnetic-acoustic transducers with one-wind [7], two-wind [8] and three-wind magnetization coils [9] of a source of a pulsed polarizing magnetic field are developed. With a single-coil [7], the transients are minimal when the power pulse is winded on. However, it is necessary to excite in the coil a current of several kA, which complicates the temperature conditions of the transducer and power equipment. With a three-coil [9] magnetization, the amplitude of the bottom pulses in relation to the amplitude of the interference exceeds 24 dB, which allows for testing and diagnostics of large variety of samples. When using the charge core [9], the ratio of amplitudes increased to 38 dB, which makes it possible to monitor the echo by the method. The method [10] of ultrasonic electromagnetic - acoustic testing of ferromagnetic products is developed. vectors of intensity with duration of several periods of high filling frequency, n and this excitation of the pulses of the electromagnetic field is performed at a time equal to the time of transients to establish the operating value of the induction of the polarizing magnetic field, and the reception of ultrasonic pulses reflected from the product is performed in the time period tпр, which is determined by the expression T – t1 – t2 – t3 < tпр = t1 + t2 + t3 + 2H/C, where T is the duration of the magnetization pulse; t1 is the time of transients to establish the working value of the induction of a polarizing magnetic field; t2 - time of packet pulse of electromagnetic field; t3 is the time of damping oscillations in the flat high frequency inductor; H is the thickness of the product or the distance in volume of the product to be ultrasound; C is the velocity of propagation of shear ultrasonic waves in the material of the product. It is established [9] that the interferences in the ferromagnetic core caused by the Barkhausen effect and magnetostrictive transformation of electromagnetic energy into ultrasound are practically excluded by production of the core blended, usage of the material of the core plates which has a low coefficient of magnetostrictive conversion, perpendicular core plates orientation in relation to the conductors of the working areas of the flat high-frequency inductor, as well as filling of the gaps between the plates with a high density fluid, such as glycerol. It is shown that the sensitivity of direct EMA transducers with pulse magnetization when powered by a batch high frequency probe pulse generator [11] and when receiving via a low noise amplifier [12] provide detection of flat-bottomed reflectors with a diameter of 3 mm or more, probe frequency of 40 Hz, peak high-frequency current of 120A, shear linearly polarized ultrasonic oscillations of 2.3 MHz, high frequency packet pulse duration 6…7 filling frequency periods, magnetization pulse duration 200 μs, magnetization current density of 600 A / mm2 and at the gap between the EMAP and the product of 0.2 mm [9]. The amplitude of the echo momentum reflected from the flaw in relation to the noise amplitude reaches 20 dB. The EMATs developed are protected with 2 utility model patents.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2020. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу з розробки нових типів ЕМАП для ефективного ультразвукового контролю металовиробів. В роботі виконано комп’ютерне моделювання розподілу магнітних полів ЕМАП при імпульсному намагнічуванні феромагнітних та немагнітних виробів. Встановлені шляхи побудови перетворювачів з максимальною чутливістю. Розроблено метод збудження імпульсних пакетних ультразвукових імпульсів за рахунок послідовного в часі формування імпульсного магнітного та електромагнітного полів. Розроблено технічні рішення пригнічення когерентних завад в осерді та у виробі. Визначені геометричні та конструктивні параметри джерела імпульсного магнітного поля, що дало можливість збуджувати потужні синфазні пакетні імпульси високочастотних зсувних коливань в ОК. Показано, що чутливість прямих ЕМА перетворювачів з імпульсним намагнічуванням забезпечують виявлення плоскодонних відбивачів діаметром 3 мм і більше при частоті зондування 40 Гц, частоті зсувних лінійно поляризованих ультразвукових коливань 2,3 МГц, піковому струмі високочастотних пакетних імпульсів 120 А, тривалості пакетних високочастотних імпульсів струму в 6 періодів частоти заповнення, тривалості імпульсу намагнічування 200 мкс, щільності струму намагнічування 600 А/мм2 та при зазорі між ЕМАП і виробом 0,2 мм. При цьому амплітуда луна-імпульсу від дефекту по відношенню до амплітуди завад досягає 20 дБ, що дає можливість забезпечити якісну дефектоскопію металовиробів.
Thesis for a Candidate Degree in Engineering, specialty 05.11.13 – Devices and methods of testing and determination of composition of substances. National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2020. A relevant scientific – practical problem on development of new types of EMAP for effective ultrasonic control of metal products is solved in the dissertation. Computer simulation of EMAT magnetic fields distribution in pulse magnetization of ferromagnetic and non-magnetic products is performed. Ways to build transducers with maximum sensitivity are established. The method of excitation of pulsed batch ultrasonic pulses due to the sequential formation of pulsed magnetic and electromagnetic fields is developed. Technical solutions for suppression of coherent interference in the core and in the product have been developed. The geometrical and structural parameters of pulsed magnetic field source were determined, which made it possible to excite powerful in-phase packet pulses of high-frequency shear oscillations in a sample. It is shown that the sensitivity of direct EMA transducers with pulse magnetization provide detection of flat-bottom reflectors with a diameter of 3 mm and more at a probing frequency of 40 Hz, a frequency of shear linearly polarized ultrasonic oscillations of 2.3 MHz, a peak current of high-frequency packet pulses of 120 A, duration of batch high frequency current pulses in 6 periods of filling frequency, magnetization pulse duration of 200 μs, magnetization current of 600 A and at the gap between EMAP and product of 0.2 mm.

Останнім часом широко почали використовуватись у неруйнівному контролі безконтактні електромагніто-акустичні перетворювачі - ЕМАП. Проте даний тип перетворювачів має досить низький коефіцієнт перетворення [1]. Його можна збільшити оптимізував конструкцію перетворювача.

Серед існуючих безконтактних методів формування акустичної хвилі особливе місце займає електромагнітно-акустичний (ЕМА) метод. Найбільш перспективним є застосування магнітопроводів з постійними магнітами і регульованим повітряним проміжком шляхом обертання магніту, його вертикального переміщення і підйому магнітопроводу над поверхнею.

Захищається 22 наукові праці. Головний науковий результат роботи – вирішення актуальної науково-технічної задачі, що пов’язана з обґрунтуванням та розробкою перетворювача середніх частот для визначення та постійного контролю за активною потужністю в лінії передачі в реальному часі на основі аномального ефекту Холла і анізотропії магнітоопору в тонких феромагнітних плівках, які не достатньо досліджені в широкому діапазоні середніх частот для технологічного процесу. Метою дисертаційної роботи є теоретичне і експериментальне дослідження тонкоплівкових перетворювачів активної потужності середніх частот на основі феромагнітних плівок. Запропонований режим роботи перетворювача активної потужності дозволив: зняти обмеження на частоту вимірювального низькочастотного сигналу, включаючи постійний струм; перенести вимірювання активної потужності на значно вищу тактову частоту; захистити магніторезистивний перетворювач від впливу зовнішніх магнітних полів. Розроблені і досліджені вимірювальні перетворювачі активної потужності впроваджені в підприємства та організації.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" – Харків - 2016. Дисертація присвячена дослідженню електромагнітних процесів в активних трифазних випрямлячах напруги з корекцією коефіцієнта потужності з системами автоматичного управління побудованих на базі гістерезисної на широтно-імпульсної модуляції, які забезпечують високі показники електромагнітної сумісності з живлячою та контактною мережами. Отримані регулювальні характеристики АВН з гістерезисною системою управління на основі яких розроблена система автоматичного управління з реалізацією двонаправленої передачею енергії. Дослідження активних випрямлячів з гістерезисною системою управління показали реалізацію високих показників електромагнітної сумісності, проте і виявили її принципові недоліки, а саме високу і змінну частоту комутації, що значно ускладнює її фізичну реалізацію на існуючий базі IGBT транзисторів та зумовлює значні втрати в перетворювачі. Визначені аналітичні співвідношення максимальної частоти комутації ключів АВН з гістерезисною системою управління від параметрів живлячої мережі, схеми заміщення АВН, навантаження та величини уставки гістерезиса. Розроблена система управління компенсаційного активного випрямляча напруги, який складається із декількох паралельних або послідовних мостів, які заживлені від однієї мережі живлення і працюють на одне навантаження. Синхронізація каналів управління окремих мостів з реалізацією зсуву опорного сигналу ШІМ на кут зсуву ψ дозволяє реалізувати взаємну компенсацію вищих гармонік вхідного струму та вихідної напруги, чим досягається покращення показників електромагнітної сумісності: коефіцієнт потужності 99,83%; коефіцієнт гармонійних спотворень 1,82%; коефіцієнт пульсацій вихідної напруги 0,1824%; заважаючи напруга у контактній мережі 1,123В.
Thesis for candidate degree of technical sciences of speсiality 05.09.12 – Semiconductor converters of electric energy – National Technical University "Kharkov Politechnical Institute" – Kharkov - 2016. The thesis is dedicated to investigation of electromagnetic processes and EMC parameters of the two-level, three-level and parallel three-phase four quadrant active rectifiers with power factor correction with novel automated control systems based on hysteresis modulation and PWM. Control characteristics and automated control system of active four quadrant active rectifiers with hysteresis modulation and PWM was designed. Studies have shown principle weaknesses of the hysteresis modulation. It’s high and variable switching frequency and high losses in IGBT. Automated control system based on PWM has strong advantage – constant switching frequency, that improves efficiency of convertor and EMC parameters.

В статті досліджено роботу тягового електроприводу з синхронними двигунами зі збудженням від постійних магнітів для пригороднього електрорухомого складу залізниць. Звернено увагу на особливості роботи тягових перетворювачів, та методи керування ними

Неруйнівний електромагнітний контроль струмопровідних виробів частіше за все виконується із застосуванням циліндричних вихрострумових перетворювачів. Але в деяких випадках більш доцільним є контроль за допомогою концентричних перетворювачів, що обумовлено їх конструктивними особливостями. Важливою характеристикою перетворювачів є розподіл його електромагнітного поля в зоні контролю. Локальність контролю в багатьох випадках стає суттєвим фактором, який забезпечує умови його проведення.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 – електротранспорт. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016 р. Дисертація присвячена покращенню показників якості електричної енергії в контактній мережі постійного струму шляхом застосування випрямляючої установки з вольтододавальним перетворювачем з двохсторонньою широтно-імпульсною моуляцією. Це стосується аналізу електромагнітної сумісності випрямляючої установки з контактною мережею та пошуку оптимального технічного засобу її покращення. Для обраної структури випрямляючої установки з вольтододавальним перетворювачем були ідентифіковані її статичні і динамічні характеристики. Вперше була отримана імпульсна модель випрямляючої установки з двохсторонньою широтно-імпульсною модуляцією, визначені величини факторів пульсацій. Для вирішення проблеми негативного впливу вищих гармонік випрямленої напруги на суміжні електроустановки, запропонована випрямляюча установка була включена до складу замкнутої системи автоматичного регулювання. Вперше був виконаний синтез передавальної функції регулятора напруги системи автоматичного регулювання випрямляючої установки з вольтододавальним перетворювача з двохсторонньою ШІМ. Отримані теоретичні положення були підтверджені експериментально на імітаційних моделях. Усі запропоновані підходи і рішення підпорядковані основній меті роботи і сприяють покращенню електромагнітної сумісності пристроїв електропостачання та електротранспорту.
Thesis for a candidate degree by specialty 05.22.09 – Electric Transport. – National Technical University "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkiv, 2016. The thesis is devoted to the improvement of electric energy quality indexes in direct current contact wire using a rectifier unit with a voltage booster converter with pulse-width modulation. It concerns the analysis of a rectifier unit electromagnetic compatibility with contact wire and the search of optimal technical facilities for its improvement. The author identifies the static and dynamic characteristics of a rectifier unit with a voltage booster converter of the chosen structure. The pulse model of a rectifier unit with double-side pulse-width modulation and pulsation factors values were obtained and defined for the first time. To solve the problem of the negative influence of rectified voltage upper harmonics on adjacent electrical units the proposed rectifier unit was included to the composition of automatic regulation closed-loop system. The author for the first time performs the synthesis of the transfer function of automatic regulation system voltage adjuster of a rectifier unit with a voltage booster converter with double-side pulse-width modulation. The obtained theoretical statements were confirmed experimentally with the help of simulation models. All the proposed approaches and solutions serve the main purpose of the work and contribute to the improvement of electromagnetic compatibility of power supply units and electric transport.

Криворучко, Д. В. Регульований компенсатор неактивних складових повної потужності в суднових електроенергетичних системах з напівпровідниковими перетворювачами : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03 / Д. В. Криворучко. Миколаїв, 2021. - 144 с.
Метою дослідження є забезпечення умов електромагнітної сумісності і якості електроенергії в СЕЕС з потужними НП за рахунок удосконалення гібридної структури, розробки принципів побудови і керування засобів компенсації неактивних складових повної потужності, а також подальшого розвитку математичних моделей та методів розрахунку зазначених засобів у статичних та динамічних режимах. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі: 1. Розробка принципів побудови, пошук удосконалених гібридних структур силової частини і обґрунтування способу керування швидкодіючих РФКП з урахуванням особливостей СЕЕС з НП. 2. Аналіз частотних характеристик еквівалентного опору і коефіцієнта фільтрації СЕЕС з РФКП та визначення умов уникнення резонансного підвищення гармонік. 3. Удосконалення математичних моделей та методів розрахунку РФКП як об’єкта керування компенсацією реактивної потужності та потужності спотворення в статичних і динамічних режимах СЕЕС з НП. 4. Оптимізація параметрів регулятора РФКП з метою досягнення заданої якості перехідних процесів при компенсації реактивної потужності. Об’єкт дослідження є електромагнітні процеси, умови електромагнітної сумісності та показники якості електроенергії в суднових електроенергетичних системах з потужними напівпровідниковими перетворювачами та регульованим фільтрокомпенсуючим пристроєм. Предметом дослідження є засоби компенсації неактивних складових повної потужності, їх моделі, методи розрахунку та характеристики. Для вирішення поставлених в дисертації задач при математичному моделюванні СЕЕС з НП та РФКП були використані методи теорії електричних кіл (метод частотних характеристик, операторний метод окремих складових, метод гармонічного аналізу, метод змінних стану. Одержані в роботі основні теоретичні положення та результати аналітичних розрахунків підтверджені шляхом комп’ютерного і фізичного моделювання. Розрахунки виконувались на персональному комп’ютері з використанням математичного пакету Mathcad, моделювання процесів в СЕЕС з НП та РФКП проводилося з використанням програмного пакету Matlab, а також відповідних пакетів розгалуження Matlab Simulink. В дисертаційній роботі отримані наступні наукові результати: – створена і теоретично обґрунтована нова удосконалена структура гібридного РФКП, яка складається з некерованого силового резонансного LC-фільтра (РФ) та реакторного компенсатора (РК) з широтно-імпульсним регулюванням (ШІР) на високій частоті, що дозволяє збільшити швидкодію РФКП та виключити генерування ним в мережу низькочастотних гармонік; – одержано аналітичну умову узгодження частотних характеристик еквівалентного опору СЕЕС з РФКП зі спектрами гармонік, генерованих НП та РК, яка виключає резонансне підвищення гармонік в системі; – вперше запропоновано нове топологічне рішення удосконаленого РФКП, при якому силовий РФ одночасно є перешкодозахисним фільтром (ПФ) по відношенню до РК з ШІР та виключається можливість резонансу струмів на вищих гармоніках; – вперше на основі аналізу схем заміщення СЕЕС з НП та РФКП, з використанням операторного методу окремих складових, гармонічного аналізу та рівності Парсеваля отримані аналітичні вирази для знаходження коефіцієнта несинусоїдальності напруги мережі K U в скінченній формі, які враховують весь гармонічний спектр та особливості електромагнітних процесів в системі і забезпечують підвищену точність результатів аналітичних розрахунків; – визначено умови повної компенсації РП, запропоновано та реалізовано структурно-функціональну схему системи автоматичного регулювання (САР) РФКП в СЕЕС з НП, яка містить датчики напруг і струмів генератора, стандартний блок обчислення та фільтр нижніх частот для визначення РП, регулятор та широтно-імпульсний модулятор; – отримали подальший розвиток методи побудови математичних моделей РФКП в СЕЕС з НП, на основі яких розроблено систему керування РФКП з урахуванням збурюючих факторів, що забезпечує покращення показників ЯЕ в статичних і динамічних режимах у порівнянні з існуючими аналогами; – створено оптимізаційну модель параметрів регулятора з використанням бібліотеки Simulink Design Optimization з блоком Check Step Response Characteristics і заданням критеріїв якості перехідних процесів, зокрема вимоги скорочення тривалості перехідних процесів до 0,15 с. Використання результатів дисертаційного дослідження дозволяє: – забезпечити умови ЕМС та нормативні показники ЯЕ в статичних та динамічних режимах СЕЕС з НП; – покращити якість перехідних процесів при компенсації реактивної потужності. Основні положення, висновки та рекомендації, що викладені в дисертаційній роботі, використовуються у навчальному процесі НУК ім. адм. Макарова (кафедра суднових електроенергетичних систем) при підготовці студентів за спеціальностями 141 – «Електроенергетика, електротехніка, та електромеханіка» і 271 – «Річковий та морський транспорт», зокрема при викладанні дисциплін «Дисципліни спеціальної підготовки за темою досліджень», «Електроніка, схемотехніка, силова електроніка та перетворювальна техніка», «Електромагнітна сумісність і керування якістю електроенергії в електроенергетичних системах». Розроблені в дисертаційній роботі методи і моделі впроваджено на підприємствах ТОВ «Інтерелектро», компанії «Електрім – 2000», ТОВ «Ксимекс-єлектро», ТОВ «SMG», ІІПТ НАН України. В НУК ім. адм. Макарова, зокрема при проведенні досліджень: згідно з координаційними планами Міністерства освіти і науки України: 55.02.17.0839/0117U000346. «Розробка енергоефективних суднових систем автоматизації процесів генерування й перетворення електроенергії та їх моделей для покращення якості електроенергії та електромагнітної сумісності». – Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова. 12.2018, згідно з планом Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова; 45.03.19.0327/0119U002104. «Розробка засобів покращення енергоефективності, якості електроенергії та електромагнітної сумісності в суднових електроенергетичних системах з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії». – Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова. 12.2020, згідно з планом Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини й апарати. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2017. Дисертаційна робота присвячена питанням розробки проектних моделей сталого режиму роботи та зіставленню варіантів електромагнітних систем асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором та трансформаторів з обертовим магнітним полем за критеріями маси, вартості, втрат, реактивної потужності та на основі узагальненого критерію, отриманого методом ідеальної точки. Для вирішення поставлених задач використовувався метод цільових функцій з відносними показниками технічного рівня та відносними керованими змінними. В проектних моделях показників сталого режиму роботи аксіальних електромагнітних систем вказаних перетворювачів враховувалася нерівномірність радіального розподілу магнітної індукції в елементах магнітного кола. Для асинхронних двигунів з внутрішніми та зовнішніми роторами, та аксіальним робочим проміжком, в тому числі з секціонуванням магнітопроводу, а також трансформаторів з обертовим магнітним полем визначені оптимальні геометричні спів-відношення. Показано, що застосування нетрадиційних варіантів електромагнітних систем індукційних перетворювачів дозволяє суттєво підвищити показники електротехнічних систем, зокрема доцільна заміна асинхронних двигунів з внутрішнім ротором на асинхронні двигуни з зовнішнім ротором та аксіальним магнітним полем при кількості пар полюсів 1–3 та 3–4 відповідно. Також розглянуті питання підвищення кратності пускового моменту асинхронних двигунів та розроблені методики визначення коефіцієнтів корисної дії та потужності перетворювачів в залежності від керованих змінних.
The thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in the specialty 05.09.01 – electrical machines and apparatus. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2017. The thesis is devoted to questions of development of mathematical models of parameters of steady state and comparison of electromagnetic systems’ variants of squirrel-cage induction motors and transformers with a rotating magnetic field by criteria of weight, cost, active power losses, reactive power and generalized criteria, which has been obtained by the ideal point method. The method of objective functions with relative technical level indications and relative controlled variables has been used for solution of assigned tasks. In mathematical models of parameters of steady state of axial electromagnetic systems of mentioned converters the uneven radial distribution of magnetic induction in the magnetic circuit elements has been taken into account. For induction motors with internal and external rotors, and an axial magnetic flux, including sectioning of magnetic core, and transformers with a rotating magnetic field the optimum geometrical ratios have been determined. It has been shown, that an application of non-traditional variants of electromagnetic systems of induction converters could significantly improve indications of electrotechnical systems, for example the replacement of induction motors with an internal rotor on induction motors with an external rotor and an axial magnetic flux has been recommended, when the number of pole pairs was 1–3 and 3–4 respectively. Also ways to increase the starting torque of induction motors have been considered, and the method of determining efficiency and power factors of induction converters, depending on the controlled variables, has been developed.