18) Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из конструкций электромагнитного механизма представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Устройство прибора электромагнитной системы:

1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – спиральная пружина

Ферромагнитный сердечник в форме флажка закреплен на одной оси со стрелкой. При протекании тока через катушку сердечник втягивается внутрь катушки, возникает вращающий момент ,

где I – действующее значение тока; L – индуктивность катушки;  – угол поворота подвижной части.

Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получим .

Угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока, поэтому шкала прибора неравномерная: она сжата в начале и растянута в конце. На практике шкалу прибора приближают к равномерной на некотором участке (25 … 100 %) путем подбора формы сердечника.

Поскольку  является функцией I ², знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке, и электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерения как в цепях постоянного, так и переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов:

– простота и надежность;

– высокая перегрузочная способность;

– одинаковая пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного токов.

Недостатки электромагнитных приборов:

– большое собственное потребление энергии;

– невысокая точность;

– низкая чувствительность;

– влияние внешних магнитных полей.

Электромагнитные приборы применяют как измерители тока и напряжение преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в качестве щитовых классов 1,0 и 1,5.

Электромагнитные амперметры. Катушку амперметра изготавливают из достаточно толстого медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 100 мА до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока.

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи. Вторичная обмотка с большим числом витков соединяется с амперметром, рассчитанным на ток 5A (рис. 2.9).

Измерительный ток определяют путем умножения показаний амперметра на коэффициент трансформации тока K_I

.

Электромагнитные вольтметры. Катушку вольтметра изготавливают из тонкого медного провода, она имеет большое число витков.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В. С добавочными резисторами они используются для измерения напряжения до 750 В. Для измерения более высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжения (рис. 2.10). Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на коэффициент трансформации K_u

.

1 9)Электродинамические приборы. Принцип действия прибора электродинамической системы заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис. 2.11).

Бескаркасная подвижная катушка закреплена на оси, ток к ней подводится через спиральные пружинки, создающие противодействующий момент. Успокоение обеспечивается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При протекании тока в катушках создается вращающий момент, поворачивающий подвижную часть. Величина вращающего момента определяется выражением

, где М_1,2 – взаимная индуктивность между катушками;  – угол поворота; I₁ – ток в неподвижной катушке; I₂ – ток в подвижной катушке.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпало бы с направлением магнитного поля неподвижной катушки. При этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются. Угол отклонения подвижной части механизма будет равен . При некоторых определенных соотношениях размеров подвижной и неподвижной катушек можно получить М_1,2 /  = const в пределах рабочей части шкалы. Тогда угол отклонения стрелки прибора будет пропорционален произведению токов в катушках.

Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи, то уравнение примет следующий вид:

, где  – угол сдвига фаз между токами. Достоинства электродинамических приборов:

– возможность перемножать измеряемые величины, что важно при измерении мощности;

– малая погрешность;

– возможность использовать в цепях постоянного и переменного токов;

– возможность использовать в качестве ваттметров.

Недостатки:– низкая чувствительность:

– значительное потребление мощности;

– сложность конструкции;

– влияние внешнего магнитного поля.

Электродинамические измерительные механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов.

Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки прибора соединяют последовательно или параллельно (рис. 2.12,а).

Один и тот же ток протекает по обеим катушкам, и уравнение функции преобразования амперметра имеет вид

где S_I – чувствительность по току.

Р ис. 2.12. Соединения катушек электродинамического прибора для работы

его в качестве: а – амперметра; б – вольтметра; в – ваттметра

а б в

Вольтметры. Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно (рис. 2.12,б) Уравнение функции преобразования для вольтметра примет вид где S_U – чувствительность по напряжению; R_к – сопротивление обмоток катушек. Для расширения пределов измерения напряжения применяют добавочный резистор. Тогда чувствительность определяется выражением

Ваттметры. Для измерения мощности одна катушка включается последовательно, а вторая – параллельно нагрузке (рис. 2.12,в). Функция преобразования для ваттметра приобретает следующий вид: где S_P –чувствительность по мощности; Р – активная мощность.

Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических и отличаются тем, что неподвижная катушка снабжена сердечником из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента, т.е. повышение чувствительности прибора, и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.