Элекродинамические измерительные приборы

прикреплен к внутренней поверхности катушки и является неподвижным, а элемент 4жестко связан с осью 2 прибора. При наличии тока в катушке оба элемента одноименно намагничиваются и стремятся оттолкнуться, как два магнита одинаковой полярности. В результате такого взаимодействия подвижный элемент поворачивается вместе с осью, В приборах обеих конструкций противодействующий момент создается спиральной пружиной, Успокоители (6, 10) в таких магнитных системах бывают воздушные и магнитоиндукционные.

Вращающий момент в  электромагнитных приборах может быть определен исходя из изменения энергии  магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока I и ее индуктивности L при перемещении сердечника. Как известно, энергия магнитного поля

В режиме установившегося  отклонения при создании противодействующего  момента пружинами М_пр, = М_вр,т. е. с учетом (9.2),

откуда

Из выражения видно, что знак угла отклонения стрелки  прибора не зависит от направления  тока в катушке. Следовательно, приборы пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.

Шкала прибора, как  это видно из, неравномерная. Меняя  форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и эта часть шкалы считается нерабочей.

Конструктивная особенность  электромагнитного прибора позволяет изготовить амперметры этой системы на токи 200...300 А для прямого включения в цепь. Действительно, неподвижная катушка может быть выполнена из провода любого сечения. Амперметр на 150...300 А выполняют с катушкой в виде одного витка из медной шины. Вольтметры электромагнитной системы изготовляют на напряжение до 660 В, катушку выполняют из большого числа витков медной проволоки небольшого сечения, а для компенсации температурной погрешности включают добавочные резисторы из манганина.

Ввиду относительно слабого собственного магнитного поля на показания электромагнитных приборов весьма значительное влияние оказывают  внешние магнитные поля. Для снижения их влияния измерительный механизм защищают стальным экраном. В приборе  имеется корректор (8, 9).

Встречаются конструкции, в которых устанавливают две  неподвижные катушки с самостоятельными сердечниками, насаженными на одну ось, так называемые астатические приборы (рис. 9ДО). Здесь обе обмотки включены последовательно, но так, что их потоки Фх и Ф2 направлены встречно, а моменты, создаваемые этими потоками и действующие на подвижную часть прибора, согласны. При такой конструкции внешний магнитный поток Фвш в одной катушке усиливает, а в другой уменьшает вращающий момент прибора на равные значения. Этим исключается влияние внешнего магнитного поля.

Астатические приборы  изготовляют для классов точности 0,5 и 1,0 и только переносного исполнения (лабораторные, испытательные комплекты). Простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного токов, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи привели к широкому распространению этих приборов в промышленных установках.

Недостатками электромагнитных приборов можно считать неравномерность шкалы, низкую чувствительность, сравнительно большое собственное потребление (амперметры -- до 5 ВА, вольтметры -- до 10 В-А), чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ  ПРИБОРЫ

Электродинамические приборы имеют две катушки. Неподвижную катушку I выполняют из двух частей, между которыми проходит ось. На оси укреплена подвижная катушка 2. Противодействующий момент создается двумя пружинами (на рисунке не показаны).

Через них осуществляют и присоединение подвижной катушки к цепи.

Приборы электродинамической  системы применяют для измерения  в цепях переменного и постоянного  токов, так как направление вращающего момента не изменяется при изменении  направления обоих токов.

В зависимости от способа взаимного включения катушек электродинамический прибор может быть использован как амперметр, вольтметр, ваттметр или фазометр.

При использовании  электродинамического прибора в  качестве амперметра на токи выше 0,5 А  катушки нельзя включать последовательно из-за трудности подвода больших токов к подвижной катушке, так как подсоединение подвижной катушки к цепи осуществляют через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.

В этом случае обе  обмотки катушек соединяют параллельно. Условно обмотка неподвижной катушки показана толстой линией, обмотка подвижной катушки -- тонкой линией.

Благодаря различным  конструктивным приемам (форме катушек, их расположению) оказывается возможным  получить линейную шкалу для электродинамического амперметра начиная с 20% от верхнего предела измерения.

Совпадения по фазе переменных токов в обмотках подвижной  и неподвижной катушек (= 0) достигают  включением последовательно с катушками  элементов с активным и индуктивным  сопротивлениями.

При использовании  электродинамического прибора в качестве вольтметра обе обмотки прибора включают последовательно друг с другом и с добавочным резистором R_д.

При использовании  электродинамического прибора в  качестве ваттметра обмотку неподвижной  катушки включают в цепь последовательно (тогда I₁ = I), а обмотку подвижной катушки, соединенную последовательно с добавочным резистором R_д, -- параллельно зажимам приемника. Реактивное сопротивление этой цепи очень мало и поэтому R₂ + R_Д Z₂. Можно считать, что практически ток I₂ совпадает по фазе с напряжением U на зажимах приемника.

Направление отклонения подвижной системы прибора зависит  от взаимного направления токов  в обеих обмотках. Поэтому для  правильного включения обмоток  их зажимы маркируют. У так называемых «генераторных» зажимов обмоток (зажимов, к которым следует присоединять провода со стороны источника питания) ставят знак * (звездочка). На электрических схемах эти зажимы обмоток обозначают точками.

При угле сдвига фаз > 90° (что возможно в некоторых  случаях измерений) cos отрицателен и, следовательно, отклонение стрелки прибора также должно быть отрицательным. Чтобы иметь возможность измерить такие отрицательные мощности, в ваттметрах устанавливают переключатель для изменения направления тока в обмотке подвижной катушки. Положение переключателя отмечено знаками плюс и минус. Измеренное значение нужно записывать с со ответствующим знаком по положению переключателя» Электродинамические приборы имеют специальный экран, защищающий их от воздействия внешних магнитных полей. 
 
 

ИНДУКЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии бегущего магнитного поля с вихревыми  токами, индуцируемыми этим же полем  в проводящем подвижном диске.

Бегущее поле создается двумя  магнитными потоками, сдвинутыми на некоторый  угол по фазе и в пространстве. Можно создать индукционные приборы любого назначения -- амперметры, вольтметры, ваттметры и др. На практике наибольшее распространение получили индукционные счетчики электрической энергии,

Приведенная конструкция (трехпоточная) счетчика состоит из двух электромагнитов 1 и 2 и подвижного алюминиевого диска 5. Диск укреплен на оси, которая связана с помощью червячной передачи со счетным механизмом. Диск вращается в зазоре электромагнитов. Магнитный поток Ф1 электромагнита 1 U-образной формы создается током I приемника электрической энергии, так как его обмотка включена последовательно в цепь нагрузки. Поток Ф1 дважды пересекает диск и незначительно отстает по фазе от образующего его тока I. Поэтому можно считать, что значение потока Ф1 в первом приближении пропорционально току I: Ф1 = kI. Электромагнит 2 имеет Т-образный вид. На его среднем стержне расположена гистерезис и вихревые токи. Подвижная катушка вращается около неподвижного стального сердечника 4, помещенного в соосную расточку магнитопровода. Стороны обмотки (рамки) 3 подвижной части находятся в зазоре между магнитопроводом и неподвижным стальным сердечником, где магнитное поле достигает значительно больших значений, чем магнитное поле, создаваемое в воздухе неподвижной катушкой электродинамического прибора.

. Так как реактивное  сопротивление этой  обмотки большое,  можно считать,  что ее полное  сопротивление  Z_U Х_U, и ток I_U в обмотке сдвинут по фазе относительно напряжения U почти на /2. Поток Ф_U, как видно из рисунка, делится на две части: рабочий поток Ф_р и потоки Ф_L, которые замыкаются помимо диска по боковым ветвям магнитопровода 2. Таким образом, Ф_U = Ф_P + 2Ф_L.

Рабочий поток Ф_р проходит по среднему стержню магнитопровода и пересекает диск, замыкаясь через противополюсную скобу 4, средняя часть которой находится под центральным стержнем магнитопровода 2. При такой конструкции под диском находятся три полюса (два от U-образного магнита и один от Т-образного магнита). Потоки Ф_L определяют сдвиг по фазе между потоками Ф_P и Ф_r Вихревые токи, индуцируемые в диске магнитными потоками, пропорциональны магнитным потокам и частоте. Магнитный поток Ф_P индуцирует в диске вихревой ток.

Взаимодействие между  индуцируемым током в диске и  созданным им потоком, например, между I_вI и Ф_r, не создает электромагнитной силы, так как = /2 и cos = 0. Электромагнитные силы создаются только в результате взаимодействия магнитного потока Ф_P с током I_вI и пото-ка Ф_I с током I_в.р.

Противодействующий  момент М_пр создается постоянным магнитом 3, в поле которого вращается диск, и является тормозным моментом, пропорциональным частоте вращения диска. Постоянный магнитный поток Ф индуцирует во вращающемся диске ЭДС Е_в = -Фda/dt, под действием которой в нем возникает вихревой ток I_в = Е_в/R_д, где R_д -- сопротивление диска. Когда моменты равны, т. е. М_т = М_вр, частота вращения диска постоянна (установившийся режим).

Число оборотов диска  за промежуток времени.

Таким образом, число  оборотов диска пропорционально  расходу электроэнергии. Величину с_т /с_р2 называют постоянной счетчика. Она показывает, какому количеству киловатт-часов электроэнергии соответствует один оборот диска. Червячная передача счетного механизма учитывает постоянную счетчика, и счетный механизм непосредственно отсчитывает энергию в киловатт-часах.

Поскольку индуцируемые токи во вращающемся элементе зависят от частоты сети , ее изменение сказывается на правильности показаний счетчика.

Для трехфазных систем выпускают счетчики, состоящие из трех и двух однофазных систем (для четырех- и трехпроводной сети). В этом случае вращающий элемент является общим и счетный механизм показывает потребление электроэнергии трехфазным электроприемником.

Индукционные счетчики весьма надежны в эксплуатации.

ИЗМЕРЕНИЯ В ОДНОФАЗНЫХ ЦЕПЯХ  СИНУСОИДАЛЬНОГО  ТОКА

Измерения тока и  напряжения в цепях синусоидального тока мало чем отличаются от измерений в цепях постоянного тока. Как уже указывалось, верхний предел измерения амперметров можно увеличить с помощью специальных шунтов. С этой же целью для амперметров применяют трансформаторы тока, а для вольтметра -- трансформаторы напряжения . Схему с использованием измерительных трансформаторов напряжения применяют при измерениях в сетях напряжением выше 1 кВ.

При применении измерительных  трансформаторов необходимо следить, чтобы их нагрузка не превосходила номинальных значений, указанных в паспорте. Для обеспечения более высокой точности измерения выбирают измерительные трансформаторы с классом точности выше, чем класс измерительных приборов.

Для измерения активной мощности используют однофазные ваттметры (обычно электродинамической системы).

Р = c_wn, где c_w = (U_Н0MI_H0M)/N -- цена деления шкалы ваттметра, Вт/дел.; N -- число делений всей шкалы прибора; п -- число делений шкалы прибора, отсчитанное указателем.

Если напряжение сети или на зажимах приемника превышает номинальное напряжение U_H0M параллельной обмотки ваттметра, то последовательно с ней включают наружный добавочный резистор R_д.

При включении обмоток  ваттметра через измерительные  трансформаторы (рис. 10.3) цену деления  ваттметра определяют с учетом коэффициентов трансформации k_I трансформатора тока и k_U трансформатора напряжения:

При этом надо следить  за правильным включением начал и  концов обмоток трансформаторов  и генераторных зажимов обмоток  ваттметра.

ИЗМЕРЕНИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ

Те же измерения  что и одно фазных.

При несимметричной нагрузке активную мощность измеряют тремя ваттметрами, каждый из которых  измеряет мощность одной фазы -- фазную мощность. Для этого ваттметры  включают так, чтобы через последовательные обмотки замыкались фазные токи, а на параллельные обмотки были поданы фазные напряжения. Тогда фазные мощности а мощность трехфазного приемника равна сумме фазных мощностей:

Р = Р_А + Р_B + Р_C

Измерение мощности тремя ваттметрами возможно при  любых условиях.

При симметричной нагрузке фазные мощности равны, поэтому в этом случае можно, измерив одним ваттметром мощность одной фазы Р_ф, найти мощность трехфазного приемника как Р = ЗР_Ф.