Ферродинамические измерительные механизмы

Устройство ферродинамического измерительного механизма показано на (рис. 3.6 а). Здесь магнитный поток создается не постоянным магнитом, а электромагнитом. Магнитная цепь электромагнита, состоящая из ярма 1 и сердечника 5, выполнена из листовой мягкой стали или прессованного ферромагнитного порошка, обладающего малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Ток в катушках 2, надетых на ярмо, возбуждает в воздушном зазоре равномерное радиальное поле, в котором помещена подвижная катушка 3. Противодействующий момент создается двумя пружинами 4, одновременно служащими для подвода тока к рамке.

Ферродинамический измерительный механизм применяется для измерений на переменном токе. При мгновенных значениях тока в рамке и потоке можно записать выражение для мгновенного значения вращающего момента в виде

M_врt = B_tswi_p,

где B_t и i_p — мгновенные значения магнитной индукции в зазоре и тока в рамке соответственно; s и w — площадь и число витков в рамке.

Положим, что

B_t = B_maxsinωt,

где B_max — максимальная индукция в зазоре; ω — угол отклонения,

тогда

i_p = I_pmaxsin(ωt ‒ ψ),

где I_pmax — максимальный ток в рамке; ψ — сдвиг по фазе между током в рамке и потоком.

Подвижная часть механизма из-за своей инерционностине может следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента за периодT:

M_вр.ср = sw _maxsinωtI_pmaxsin(ωt ‒ ψ)dt = B_maxI_pmaxsw ωtsin(ωt ‒ ψ)dt = B_maxI_pmaxswcosψ.

Переходя к действующим значениям, получим

M_вр.ср = cosψ = BswI_pcosψ.

Противодействующий момент, создаваемый пружинами,

M_пр = Wα,

где W — удельный противодействующий момент пружины; α — угол отклонения подвижной части.

Установившееся отклонение будет иметь место при равенстве вращающего и противодействующего моментов:

BswI_pcosψ = Wα,

откуда

α = I_p.

Так как индукция в зазоре пропорциональна току в неподвижных катушках, т.е. B = k₁I₁, то

α = I₁I_pcosψ, (3.4)

где I₁ — сила тока в неподвижных катушках; I_p — сила тока в рамке.

В зависимости от назначения измерительного механизма катушки возбуждения 2 и рамка 1 между собой могут соединяться последовательно (рис. 3.6 б), параллельно (рис. 3.6 в) или же включаться в различные участки измеряемой цепи. Если катушки возбуждения питаются независимо от измерительной цепи и в нее включается лишь рамка измерительного механизма (рис. 3.6 г), то справедлива формула (3.4). В данном случае шкала (α = f(I_p)) измерительного механизма получается равномерной.

При соединении катушек последовательно (см. рис. 3.6 б) I₁ = I_p = I, где I — измеряемый ток и cosψ = 1, тогда

α = I². (3.5)

При соединении катушек параллельно (см. рис. 3.5 в) токи в катушках будут пропорциональны измеряемому токуI:

I₁ = k₂I.

Следовательно,

α = I²cosψ = cosψI², (3.6)

где k, k₁, k₂, k₃ — коэффициенты пропорциональности.

Формулы (3.5) и (3.6) показывают, что шкала получается неравномерной.

Ферродинамический механизм обладает следующими свойствами:

Ø угол отклонения подвижной системы пропорционален действующим значениям переменных токов, протекающих по катушкам;

Ø шкала может быть либо равномерной, либо неравномерной;

Ø непосредственное измерение тока при независимом возбуждении и креплении рамки на кернах ограничено верхним пределом, не превышающим долей ампера, и нижним пределом — порядка долей миллиампера. При параллельном соединении катушек возбуждения и рамки верхний предел может достигать 5...10А. Повышение предела измерения требует применения дополнительных преобразователей;

Ø потребление мощности при независимом возбуждении аналогично потреблению мощности магнитоэлектрическим механизмом; при последовательном или параллельном соединении рамки и катушек возбуждения потребление мощности возрастает.