3.5 Электростатические приборы

Принцип работы основан на взаимодействии двух систем заряженных пластин, одна из которых подвижна. Неподвижная система состоит из двух параллельных металлических пластин 1, а подвижная – из двух секторообразных алюминиевых пластин 2, укреплённых на оси 5, на которой установлены также стрелочный указатель 4 и один конец противодействующей пружины 3.

Рисунок 39. - ???

Если к подвижным и неподвижным пластинам подвести измеряемое напряжение , то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти между неподвижными и занять такое положение, при котором энергия электрического поля

будет наибольшей ( - ёмкость системы и пластин).

Поворот подвижных пластин вызывает закручивание пружин иди растяжек, создающих противодействующий момент.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора

.

При переменном токе, т.е.

где - действующее напряжение.

Отсюда показание прибора (отклонение стрелки)

. (15)

Из (15) следует, что электростатические приборы могут применяться для измерения напряжений в цепях постоянного и переменного тока, и что шкалы приборов неравномерны. Для линеаризации шкалы соответствующим образом выбирают форму подвижных и неподвижных пластин, т.е. задаются определённым законом изменения .

На базе электростатических приборов в основном строятся вольтметры, которые из-за низкой чувствительности измерительного механизма выпускаются на напряжения 0,075…300 кВ.

Достоинствами приборов являются: малое потребление энергии; практически независимость показаний от частоты питающего тока; высокий класс точности (0,5…0,05); независимость от температуры окружающей.

Недостатки: низкая чувствительность; слабое собственное электрическое поле (требуется металлический заземлённый экран).

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров при измерении переменного напряжения , осуществляется включением последовательно с вольтметром, имеющим собственную ёмкость , добавочного конденсатора или использованием ёмкостного делителя, состоящего из конденсаторов известной ёмкости и .

В первом случае напряжение на вольтметре определяется выражением

,

при этом зависимость ёмкости от угла поворота подвижной части приводит к дополнительной погрешности.

При использовании делителя

,

где - ёмкость конденсатора, параллельно которому подключен вольтметр.

Если  , то коэффициент деления окажется практически постоянным для всех значений измеряемого напряжения.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров на постоянном токе осуществляют с помощью резистивных делителей напряжения.

3.6 Индукционные приборы

работа индукционных приборов основана на взаимодействии магнитных полей, наведённых токами в диске подвижной части измерительного механизма. Индукционные механизмы нашли применение в счётчиках электрической энергии для цепей переменного тока промышленной частоты.

Измерительный механизм имеет два независимых магнитопровода 2 и 5, разнесённых на угол . Обмотка 1 одного из магнитпроводов является обмоткой напряжения, имеет большое число витков и значительную индуктивность, поэтому ток в обмотке отстаёт от напряжения на угол, близкий к 90.

Рисунок 40. - ???

Обмотка 6 является токовой, имеет небольшое число витков сравнительно большего диаметра. Токи силой и порождают магнитные потоки и , которые, пересекая алюминиевый диск 3, расположенный на оси 4, индуцируют в нём ЭДС. Диск охвачен полюсными наконечниками магнита 7, выполняющего роль магнитоиндукционного успокоителя. Под действием индуцируемых в диске ЭДС появляются вихревые токи силой и , при взаимодействии которых с магнитными потоками и возникает вращающий момент . Поворот диска (число оборотов диска) фиксируется отсчётным устройством 8.

Потоки и , сдвинутые по фазе на угол , индуцируют в диске ЭДС и , отстающие от своих потоков на углы и , если диск кроме активного сопротивления обладает некоторой индуктивностью.

Рисунок 41. -???

Ток силой , взаимодействуя с магнитным потоком создаёт вращающий момент

, (16)

а ток силой с магнитным потоком создаёт вращающий момент

. (17)

При выводе (16) и (17) принято, что индуктивное сопротивление диска мало по сравнению с его активным сопротивлением, т.е. ; ; - чувствительность (далее символами обозначены различные чувствительности).

Различие знаков у моментов и указывает на то, что контур, по которому протекает ток силой втягивается в магнитное поле потока , а другой контур выталкивается из соответствующего поля.

Т.к. в данном случае опережающий по фазе магнитный поток расположен слева от потока , поэтому моменты и будут направлены слева направо, т.е. диск будет перемещаться против часовой стрелки.

Результирующий момент, действующий на диск

. (18)

При однородном строении диска и синусоидальном характере изменения магнитных дисков

, (19)

где - удельная проводимость материала диска; - толщина диска; - частота изменения магнитных потоков.

Решая совместно уравнения (18) и (19) получим

, (20)

где .

При движении диска возникает тормозной момент , создаваемый магнитом 7

,

где ; - магнитный поток магнита 7; - ЭДС, наводимая в диске; - угловая скорость диска.

Окончательно

.

При неизменных значениях сил тока и , а следовательно и и устанавливается постоянная скорость вращения диска, когда

,

откуда следует

, (21)

где .

Как следует из (21), угловая скорость диска изменяется пропорционально магнитным потокам и , а следовательно и силам токов и , протекающим по обмоткам 1 и 6.

Интегрируя на промежутке времени , имеем

. (22)

Рассмотрим схему подключения однофазного счётчика к нагрузке.

Рисунок 42. - ????

В связи с наличием больших воздушных зазоров на пути потоков и можно считать, что

, ,

где - напряжение на обмотке; - полное сопротивление обмотки 2.

Подставив значения этих потоков в выражение (20)

. (23)

Из (23) следует, что вращающий момент пропорционален активной мощности

, (24)

если выполняется условие .

Этого добиваются специальной конструкцией электромагнитов счётчика и тогда выражение (23) принимает вид

, (25)

т.е. вращающий момент счётчика пропорционален мощности нагрузки.

Решая совместно уравнения (22), (24) и (25), найдём

.

Интегрируя это выражение в интервале времени и , получим

,

где - измеряемая энергия, кВтч; - постоянная счётчика; - число оборотов диска за интегрируемый интервал времени.

Наибольшее распространение получили счетчики, класс точности, которых 1,0; 2,5, сила тока до 100 А, напряжение 220 и 380 В.