Электродинамические механизмы

Механизмы электродинамической системы основаны на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами. Подвижная катушка находится внутри подвижной и крепится на полуосях или на растяжках. Неподвижная катушка состоит о двух одинаковых секций, между которыми проходит ось вращения подвижной части - рис. 5.8. При протекании токов i₁ и i₂ в катушках возникает электромагнитный момент, стремящийся повернусь подвижную часть до совпадения магнитных потоков обеих катушек.

Подвод тока к подвижной катушке осуществляется через спиральные пружины или растяжки. Для уменьшения времени успокоения подвижной части используется воздушный или магнитоиндукционный тормоз. В последнем случае необходимо экранировать катушки от поля

рассеяния магнита. Собственное магнитное поле электродинамических механизмов мало и они чувствительны к внешним магнитным полям. Для защиты от внешних полей используют магнитное экранирование или астазирование.

B₁

i₁

B₂

i₁

i₂

Рис. 5.8. Схема электродинамического механизма.

Астатический прибор состоит из двух пар катушек. Подвижные катушки закреплены на одной оси. Магнитные поля неподвижных катушек направлены взаимно противоположно, противоположно направлены и поля подвижных катушек. Поэтому полезный вращающий момент удваивается, а вращающий момент, вызываемый внешним полем, устраняется. Нейтрализуется только равномерное внешнее поле.

Мгновенное значение электромагнитной энергии системы катушек:

W_эм = L₁i²₁ / 2 + L₂i²₂ /2 + M i₁i₂ ,

где L₁ и L₂ - индуктивности катушек, аМ - взаимная индуктивность.

Вращающий момент, как обычно, равен производной от функции энергии по углу поворота. В связи с тем, что при повороте подвижной системы меняется только М, получим:

dW_эм dM

М_вр ═ ——— ═ i₁i₂ ———

dα dα

Среднее значение вращающего момента на переменном токе, когда

i₁ = I₁m sin ωt, a i₂ = I₂m sin (ωt – ψ)

M_{вр ср} = I₁ I₂ cos ψ dM/dα

где I₁, I₂ - действующие (среднеквадратические) значения токов. Следовательно, электродинамический прибор обладает фазочувствительными свойствами и его можно использовать для измерения не только токов и напряжений, но и мощности. Для установившегося положения стрелки, когда вращающий момент уравновешен противодействующим моментом, угол поворота подвижной части равен

α = I₁I₂ cos ψ dM/dα/W

а для постоянных токов:

α = I₁I₂ dM/dα/W .

Характер шкалы принципиально неравномерный и зависит от изменения взаимоиндуктивности. Конструктивными мероприятиями удается линиаризовать шкалу в значительной ее части.

Достоинствами электродинамических приборов являются возможность работы на постоянном и переменном токах, стабильность показаний, а недостатками – невысокая чувствительность, большое собственное потребление и чувствительность к перегрузкам. Приборы этой системы могут работать в области частот до 10 кГц.

Ферродинамические приборы отличаются тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. Наличие магнитопровода резко увеличивает магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Ферромагнитные приборы обладают большей чувствительностью, но меньшей точностью (из-за потерь от гистерезиса и вихревых токов). Ферромагнитные приборы, как правило, используются на низких промышленных частотах.

Электродинамические логометры содержат две подвижные катушки, закрепленные под углом на одной оси. Если обозначить токи в подвижных катушках через i₁ и i₂, а сдвиги фаз этих токов относительно тока неподвижной катушке через ψ₁ , ψ₂, то угол поворота подвижной части логометра можно выразить в виде:

α=f (I₁cos ψ₁/ I₂cos ψ₂) .

Следовательно, показания логометра зависят от соотношения токов в подвижных катушках.

Электродинамические миллиамперметры и амперметры с током до 0.5А образуются путем последовательного соединения неподвижной и подвижной катушек - рис. 5.9. В этом случае прибор реагирует на реальный ток, и показания слабо зависят от изменения сопротивления катушек с температурой. Угол поворота подвижной части такого амперметра

α=I² dM/dα/W

I

I

Рис. 5.9. Электродинамический миллиамперметр, схема включения

Конструктивно, изменяя форму и взаимное положение катушек, стремятся выполнить условие линеаризации шкалы:

I dM/dα = const.

При этом угол поворота будет пропорционален действующему значению тока.

Влияние частоты в электродинамических амперметрах с последовательным включением катушек незначительно.

В амперметрах на токи, больше 0,5 А, катушки включают параллельно – рис.5.10. При этом дополнительные резисторы в цепях катушек подобраны так, чтобы ток в подвижной катушке не превышал допустимого значения. Резистор R_gl в цепи неподвижной катушки может отсутствовать. Распределение токов по параллельным цепям будет происходить в соответствии с полным сопротивлением цепей: I₁=k₁I; I₂=k₂I. Тогда угол поворота подвижной части:

DM

α ═ —— k₁ k₂ I² ———

W dα

Температурная погрешность амперметров с параллельным включением катушек больше за счёт перераспределения токов по параллельным цепям. Уменьшение температурной погрешности достигают подбором дополнительных резисторов из материалов с различным знаком ТКС.

I R_д1

I

R_д2

Рис. 5.10. Электродинамический амперметр; схема включения.

Влияние частоты в таких приборах также заметнее, поэтому стараются сделать одинаковыми постоянные времени параллельных цепей L/R.

Для расширения пределов измерения электродинамических амперметров шунты применяют редко. Пределы измерения электродинамических амперметров от 1мА до 10А на частоты до 10 кГц классов точности от 0,1 до 2,5.

Электродинамические вольтметры образуют последовательным включением катушек и дополнительного резистора R_g – рис. 5.11.

r₂

r₁ Рис. 5.11. Электродинамический вольт-

метр, схема включения.

U

R_g

Ток в цепи измерительного механизма:

U

I ═ —————— .

r₁ + r₂ + R_g

следовательно, угол поворота:

1 dM U²

α ═ —— —— —————— .

W dα (r₁+r₂+R_g)²

Обычно R_g >>(r₁+r₂), тогда

U² dM

Α ═ ——— ——— .

WR_g² dα

На переменном токе берут значение не активного, а полного сопротивления цепи. В связи с тем, что дополнительный резистор R_g выполняется из манганина, общая температурная погрешность вольтметров невелика и тем меньше, чем больше предел измерения.

Для уменьшения частотной погрешности из-за увеличения индуктивного сопротивления катушек с частотой применяют шунтирование всего или части дополнительного резистора конденсатором. Уменьшение емкостного сопротивления компенсирует увеличение индуктивного сопротивления катушек. Вольтметры изготавливаются на пределы измерения от 1.5 до 600 В на частоты до 5 кГц классов точности от 0,2 до 2,5.

На базе электродинамических измерительных механизмов выпускаются ваттметры. В них обе секции неподвижной катушки включены последовательно в цепь нагрузки – рис. 5.12, а подвижная катушка подключена к напряжению через дополнительный резистор R_g.

Ток в подвижной катушке:

U U

I_n ═ ———— ═ ——R_n

R_n + R_g R_пр

Угол поворота на постоянном токе: I_n I

I UI dM

Α ═ —— —— ———C R_g Z_н

W R_пр dα

Рис.5.12.Электродинамический

ваттметр, схема включения.

Шкала ваттметра будет равномерной, если dM/dα=const.

В цепи переменного тока ток подвижной части отстает от напряжения на фазовый угол δ из-за наличия индуктивности в параллельной цепи – рис.5.13. Угол поворота подвижной части ваттметра на переменном токе:

К U _δ I_n I

α ═ —— UIcos(φ—δ) _α

W

Рис. 5.13. 45

будет пропорционален мощности цепи только в случае, если δ=0. Для этого выполняют условие R_g >>R_n .

Шунтируя R_g конденсатором С, можно скомпенсировать индуктивность подвижной катушки, но такая компенсация возможно лишь на определенной частоте.

Для защиты от внешних полей ваттметры экранируют или астазируют. При изменении полярности тока или напряжения изменится направление вращения подвижной части ваттметра, поэтому зажимы ваттметра со стороны поступления энергии имеют специальное обозначение * . За счет секционирования катушек и R_g можно реализовать многопредельный ваттметр.

Ферродинамические ваттметры отличаются большей устойчивостью к внешним магнитным полям, более высокой чувствительностью, но худшей точностью.

5.4. Электромагнитные механизмы.

Измерительные механизмы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, с ферромагнитным сердечником, эксцентрично установленным на оси поворотной части.

Электромагнитные механизмы без магнитопровода содержат плоскую катушку с обмоткой из медного провода, имеющую воздушный зазор, и сердечник из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Противодействующий момент создается спиральными пружинами или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкостное.

Более совершенными являются механизмы с магнитопроводом. Катушка с измеряемым током располагается на магнитопроводе, имеющем фигурные полюсные наконечники из магнитомягкого ферромагнитного материала - рис. 5.14. В зазоре между полюсными наконечниками может вращаться подвижный сердечник, укрепленный на растяжках. Подвижный сердечник изготавливается из пермаллоя. Успокоение жидкостное или отсутствует вообще.

Энергия магнитного поля, создаваемого катушкой с током I:

W_м = LI² / 2

где L – индуктивность катушки. Вращающий момент:

dW_м 1 dL

M_вр═ ——— ═ — I² —— .

dα 2 dα

Значение индуктивности L зависит от положения подвижного сердечника.

На переменном токе среднее значение вращающего момента

определяется действующим значением тока:

1 _T

I═ —∫ i² dt

T ⁰

Рис. 5.14. Электромагнитный механизм с магнитопроводом.

В состоянии равновесия угол отклонения оси измерительного механизма:

I² dL

α ═ ————— .

2W dα

Выражение определяет неравномерность шкалы. Подбором формы полюсных наконечников и подвижного сердечника добиваются линеаризации шкалы, начиная с 15-20% ее конечного значения.

На переменном токе вихревые токи, наводимые в металлических частях прибора, оказывают размагничивающее влияние на сердечник уменьшение показаний с ростом частоты.

Электромагнитные механизмы без магнитопровода чувствительны влиянию внешних магнитных полей и требуют экранирования. У механизмов с магнитопроводом собственное поле гораздо сильнее и они практически не реагируют на внешние поля.

Достоинства электромагнитных приборов – возможность работы на постоянном и переменном токах, устойчивость к токовым перегрузкам (как никакой другой прибор), простота конструкции и надежность в эксплуатации.

Недостатками можно считать неравномерность шкалы, влияние внешних магнитных полей и большое собственное потребление мощности, обусловливающее плохую чувствительность.

Электромеханический логометр содержит две катушки и два подвижных сердечника на одной оси, расположенные так, что при увеличении индуктивности одной катушки индуктивность другой будет уменьшаться. Угол поворота подвижной части логометра зависят от соотношения токов в обеих катушках:

α ═ f (I₁/I₂)

Логометр не требует применения устройств, создающих тормозной момент.

Область применения электромагнитных логометров – фазометры.

Электромагнитные амперметры изготавливаются на ток от 10 мА до 100 А. Для расширения пределов измерения катушку секционируют, а секции включают последовательно или параллельно. Температурная и частотная погрешность амперметров невелика. Могут использоваться встроенные и наружные трансформаторы тока.

Электромагнитные вольтметры образуют путем включения последовательно с катушкой дополнительного безреактивного сопротивления из манганина. Иногда саму катушку выполняют манганиновым проводом. При достаточно большом дополнительном сопротивлении по сравнению с сопротивлением катушки температурная погрешность вольтметров не велика. Из-за большой индуктивности катушки в вольтметрах сильнее сказывается влияние частоты. Для уменьшения частотной ошибки практикуют шунтирование дополнительного резистора конденсатором. Такие компенсированные вольтметры могут работать на частотах до 1,5 кГц. Пределы измерения электромагнитных вольтметров от 0,5 до 600 В.

Классы точности электромагнитных амперметров и вольтметров - от 0,5 до 2,5.