Лекция 7. Электродинамический измерительный механизм

Работа основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами I ₁, I ₂. Неподвижную катушку выполняют из двух последовательно соединенных половин с целью создания равномерного магнитного поля в области движения подвижной катушки (табл.5.1,в). Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка). Для подвода тока в подвижную катушку и создания противодействующего момента применяют спиральные пружины.

Чтобы получить вращающий момент М _в, используют электромагнитную энергию W_э системы из двух катушек, по которым протекают постоянные токи I ₁ и I ₂, т.е. W_э = , где - индуктивности катушек, - их взаимная индуктивность.

Если потоки подвижной и неподвижной катушек совпадают, то взаимная индуктивность положительна; если потоки направлены в разные стороны, то отрицательна.

Взаимодействие двух токов вызывает вращающий момент, стремящийся повернуть катушку в положение, при котором энергия магнитного поля катушек будет наибольшей. Этот момент равен

.

В состоянии равновесия подвижной катушки, когда М _в = М _п имеем

,

откуда уравнение шкалы прибора в цепи постоянного тока .

Если k = - коэффициент, зависящий от упругих свойств спиральных пружин, параметров катушек и их взаимного расположения, то

a = kI ₁ I ₂.

Момент вращения, развиваемый прибором, пропорционален произведению постоянных токов в катушках. Следовательно, при включении электродинамического механизма в цепь переменного синусоидального тока, где и , мгновенное значение вращающего момента будет пропорционально произведению мгновенных токов, т.е. Если бы токи в катушках совпадали по фазе, то среднее значение момента за период было бы пропорционально произведению действующих значений токов:

где I ₁ и I ₂ – действующие значениятоков, протекающих через катушки; j - угол сдвига фаз между токами.

Учитывая сдвиг по фазе между токами, произведение токов нужно умножить на косинус угла сдвига фаз между токами. Поэтому при угол отклонения подвижной части ИМ , т.е. при несовпадении по фазе токов отклонение подвижной части a пропорционально произведению среднеквадратических значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические ИМ содержат две токовые цепи, поэтому являются множительными устройствами и обладают фазочувствительностью. Данная особенность позволяет применять их не только для измерения тока, напряжения, но мощности и фазы.

Достоинства электродинамических ИМ: высокая точность и возможность использования их в цепях постоянного и переменного токов. Серийно выпускаемые приборы имеют класс точности 0.1; 0.2; 0.5. Электродинамические приборы являются наиболее точными приборами переменного тока.

Недостатки: малая чувствительность, влияние на показания внешних магнитных полей, большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон (не превышает 10 кГц). Он ограничивается изменением комплексного сопротивления катушек на высоких частотах и влиянием паразитных емкостей.

Электродинамические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, в фазометрах.

Известны электродинамические приборы с магнитопроводом переменного тока неподвижных катушек с существенно усиленным вращающим моментом, которые называются ферродинамическими приборами.

Назначение, схемы включения и принцип действия те же, что и у электродинамических приборов. Конструктивное различие заключается в том, что с целью усиления электромагнитного поля неподвижной катушки, она снабжена магнитопроводом из листовой наборной электротехнической стали. За счет этого вращающий момент ферродинамических приборов существенно увеличен, а вся магнитная система оказывается экранированной от действия внешних магнитных полей, которые могут возникать на энергоемких предприятиях, особенно в местах расположения приборных щитов. Поэтому чаще всего ферродинамические приборы применяются как щитовые приборы для вертикального расположения. Из-за сравнительно большого вращающего момента они устойчивы к тряске и вибрациям и успешно применяются на железнодорожных, морских и воздушных транспортных средствах. Стрелка, шкала и иные индикаторы приборов обычно делаются хорошо видимыми с обычного расстояния от щита 1 - 2,5 м, за которым следит технолог, управляющий производственным процессом. Большое значение вращающего момента дает возможность использовать ферродинамический механизм для построения самопишущих приборов. Для этого на стрелке устанавливается пишущий инструмент, и в прибор встраивается лентопротяжный механизм, перемещающий бумажную ленту - диаграмму.

Амперметры и вольтметры электродинамической системы.

Наиболее простая измерительная цепь у измерителя тока – миллиамперметра. Весь измеряемый ток проходит через неподвижную (1) и подвижную (2) катушки (рис.7.1,а), соединенные последовательно, поэтому угол j = 0 и угол отклонения a будет

a = .

У амперметров на токи от 0.5 А и выше (до 10 А) катушки соединяются параллельно (рис.7.1,б). Сопротивления параллельных ветвей подобраны так, чтобы I ₂ не превышал допустимого значения, т.е. I ₁ = k₁ I, I ₂ = k₂ I, (k₁+k₂ = 1) и уравнение шкалы приводится к виду

a =

Следовательно, у механизмов амперметров угол отклонения подвижной части зависит от квадрата измеряемого тока и производной dM _1,2/ da.

Для создания двухпредельного амперметра неподвижная катушка делается из двух одинаковых секций, переключая которые с последовательного соединения на параллельное, получают пределы измерения с соотношением токов 1:2.

У электродинамических вольтметров неподвижная и подвижная катушки соединены последовательно вместе с добавочным резистором (рис.7.2).

Угол отклонения подвижной части a = , где - полное сопротивление вольтметра. (Емкость для компенсации частотной погрешности).

Секционированием добавочного резистора можно получить разные пределы измерения. Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть расширены с помощью ТТ и ТН.

Электродинамические вольтметры выпускают на несколько пределов до 300 В.

Ваттметры электродинамической системы.

Применяются для измерения мощности постоянного и переменного тока.

При измерении мощности постоянного тока неподвижная катушка (обе секции) включается последовательно с нагрузкой и по ней проходит ток нагрузки I (рис. 7.3). Поэтому она называется последовательной цепью ваттметра.

К подвижной катушке, соединенной последовательно с добавочным резистором R_V, подводится напряжение U, и по ней проходит ток I _U = U / Z _U – полное сопротивление параллельной цепи. - цепь частотной коррекции.

Уравнение шкалы для ваттметра, включенного в цепь постоянного тока

a = . (Шкала равномерная).

При включении ваттметра в цепь переменного тока отклонение a будет пропорционально активной мощности при условии, что ток в параллельной ветви совпадает по фазе с напряжением (т.е. параллельная цепь должна иметь активное сопротивление). Тогда

a = k₂ UIcosj = k₂ P.

В ваттметрах направление отклонения указателя изменяется при изменении полярности тока или напряжения. Поэтому зажимы последовательной и параллельной цепей ваттметра имеют разметку. Зажимы, обозначенные звездочкой (*), называются генераторными и должны включаться в линию со стороны генератора, т.е. со стороны поступления энергии.

Градуируются ваттметры в делениях так, что при номинальных токе и напряжении и cos j = 1 стрелка отклоняется на полное число делений шкалы a _шк (100 или 150 дел.). Для определения измеренного значения мощности отсчитанное число делений надо умножить на цену деления С _ном, которая для каждого предела измерения рассчитывается по формуле

С _ном = U _ном I _ном/ a _шк.

Промышленные ваттметры электродинамической системы имеют пределы измерения по току от 25 мА до 70 А и по напряжению от 15 В до 600 В класса точности 0.2; 0.5 и 1, пределы измерения от единиц ватт до 10⁸ - 10¹⁰ Вт (с трансформаторами тока и напряжения). Диапазон частот - 45 ¸ 2000 Гц.