§ 4. Приборы электромагнитной системы

К приборам электромагнитной системы относятся электроизмерительные приборы, измерительный механизм которых состоит из неподвижной катушки и легкого ферромагнитного сердечника. Сердечник перемещается относительно катушки при ее включении в цепь постоянного или переменного тока.

Электромагнитные измерительные механизмы выполняются с плоской или круглой катушкой. Устройство измерительного механизма прибора с плоской катушкой схематически показано на рисунке 7. Неподвижная катушка 1, намотанная медным проводом, имеет отверстие в виде щели. В эту Щель входит сердечник 2, эксцентрично укрепленный на оси. На оси укреплены также стрелка с грузиками для уравновешивания подвижной части, спиральная пружина 4 для создания противодействующего момента и крыло 3 воздушного успокоителя.

Принцип действия приборов электромагнитной системы с плоской катушкой основан на явлении втягивания сердечника в катушку с током. При включении прибора в цепь ток в катушке возбуждает магнитное поле, которое намагничивает сердечник (1). Намагничиваясь, сердечник втягивается в щель катушки.

С ила втягивания сердечника определяется взаимодействием магнитного поля катушки с полем намагниченного сердечника. Интенсивность магнитных полей катушки и намагниченного сердечника приближенно можно считать пропорциональными току в катушке. Поэтому сила втягивания сердечника в катушку будет пропорциональна квадрату измеряемого тока

Следовательно, и величина вращающего момента Мвр будет также пропорциональна квадрату тока

Особенностью приборов электромагнитной системы является независимость направления действия вращающего момента от направления тока в катушке. Это станет очевидным, если вспомнить, что ферромагнитный сердечник одинаково притягивается как к южному, так и к северному полюсам электромагнита. Таким образом, отклонение подвижной части прибора всегда происходит в одну сторону, а его зажимы не нуждаются в полярной разметке. Поэтому приборы электромагнитной ,системы могут быть использованы для измерений как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока.

Е сли катушка включена в цепь постоянного тока I0, то на подвижную, часть прибора будет действовать неизменный во времени вращающий момент

Противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота стрелки, жестко скрепленной с сердечником

С ердечник прибора будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент не станет равным вращающему

И з этого следует, что шкала электромагнитного прибора должна быть квадратичной (деления сильно сжаты· в начале

шкалы и растянуты в конце). Такая шкала неудобна при измерениях. Поэтому путем подбора соответствующей формы сердечника добиваются более равномерного расположения делении на шкале в ее рабочей части (рис. 8).

При включении прибора в цепь переменного тока на подвижную часть измерительного механизма будет действовать переменный во времени вращающий момент. Величина этого момента Mi в каждое мгновение времени t пропорциональна квадрату мгновенного значения тока в катушке

Если ток в цепи изменяться во времени по синусоидальному закону (верхняя кривая рис.9), то мгновенные значения вращающего момента могут быть получим путем следующих графических построений. Задавшись произвольными моментами времени t1 t2 t3 и т.д. находят величины токов i1 i2 i3 соответствующих этим моментам времени. Затем возводя в квадрат величины мгновенных значений тока от времени (нижняя кривая рис. 9). В другом масштабе эта кривая будет характеризовать изменение вращающего момента, действующего на подвижную часть прибора.

Из рассмотрения полученной кривой следует, что возвращающий момент прибора имеет пульсирующий характер.

Сердечник прибора, а вместе с ним и подвижная часть из-за своей инерции не успевают следовать за быстрым изменением момента, а реагируют лишь на среднее значение. Среднее за период значение вращающего момента как это следует из рассмотрения нижней кривой равно половине ее максимального мгновенного значения

Таким образом, основную формулу, отражающую равенство вращающего и противодействующего моментов при установившемся отклонении подвижной части, можно записать

Теперь представим себе, что два одинаковых приборы электромагнитной системы включены раздельно в две цепи (рис. 10), причем одна цепь nеременного тока, другая - постоянного. Пусть

с трелка прибора в цепи переменного тока повернулась на угол а. Установим во второй цепи при помощи реостата такой постоянный ток IО, чтобы стрелка этого прибора отклонилась на такой же угол а, как и стрелка прибора в первой цепи. Тогда можно записать, что

Отсюда можно сделать вывод, что переменный ток в первой цепи и Постоянный ток во второй цепи будут оказывать одинаковое действие на подвижную часть прибора, если амплитуда переменного тока и величина постоянного тока связаны соотношением

Амплитудное значение переменного тока, уменьшенное в корень из 2 раз, называют действующим значением переменного тока.

Следовательно электромагнитный прuбор, включенный в цепь nеременного тока показывает действующее значение этoгo тока.

Поэтому шкалы приборов электромагнитной системы градуируют в действующих значениях тока и напряжения.

В отличие от приборов магнитоэлектрической системы, где измеряемый ток взаимодействует с полем сильного постоянного магнита, в приборах электромагнитной системы магнитное поле создается самим измеряемым током и оно сравнительно слабое. Поэтому на показания электромагнитных приборов сильное влияние могут оказывать внешние магнитные поля Мощность потребления энергии приборами этой системы B~ много раз больше мощности приборов магнитоэлектрической системы и достигает нескольких ватт.

Достоинством электромагнитных приборов является простота их устроиства, устойчивость к перегрузкам и надежность в работе. Они получили широкое применение в качестве миллиамперметров, амперметров и вольтметров в цепях постоянного и переменного токов.