4.3. Електродинамічна система

Умовне позначення -

В електродинамічних вимірювальних механізмах для створення обертового моменту використовується принцип взаємодії провідників зі струмами: два паралельних провідника з однаково напрямленими струмами взаємно притягуються, з протилежно напрямленими струмами — взаємо відштов­хуються (рис. 4.8).

Вимірювальний механізм електродинамічної системи скла­дається з нерухомої 1 і рухомої 2 котушок. Протидіючий момент створюють спеціальні спіральні пружинки 3, які поряд з тим служать для підведення струму у рухому котушку 2. Рухома котушка під дією електромагнітних сил намагається зайняти таке положення, при якому напрям її магнітного поля співпадає з на­прямом поля нерухомої котушки. Механізм оснащений повітря­ним або магнітоіндукційним заспокоювачем 4. В результаті дії магнітного поля на рухому котушку, вона намагається зайняти таке положення, при якому напрям її магнітного потоку Ф₂ спів­падає з напрямом магнітного потоку нерухомої котушки Ф₁ .Сила, яка діє на котушку 2, створює обертовий момент М_об.

Звідси отримуємо рівняння шкали механізму електродина­мічної системи у загальному вигляді:

Взаємна індуктивність М залежить від розміщення рухомої котушки відносно нерухомої обмотки, і величина dM/dα є деякою функ­цією кута а між площинами, в яких розміщені котушки. Враховуючи це, вище отримане рівняння шкали можна записати у вигляді:

На характер залежності взаємної індуктивності М від положення рухомої котушки можна впливати змінами форми котушок, їх початкового положення і т.д.

Оскільки у приладі дві котушки, то можна суттєво розширяти область застосування цього механізму. Залежно від призначення приладу змінюється і характер його шкали.

Розглянемо деякі випадки застосування електродинамічного механізму на практиці.

1) Обмотки приладу з'єднані послідовно одна з одною і по них протікає постійний струм І.

В цьому випадку І₁ =І₂=І, тоді будемо мати:

З формули (4.18) бачимо, що відхилення рухомої частини пропорційно квадрату струму і відповідно покази приладу не залежать від напряму струму (знака). Це дає можливість використовувати прилад як для постійного так і для змінного струму. Шкала буде мати квадратичний закон розподілу відміток. При користуванні приладів шкалу намагаються вирівнювати за рахунок множника f(α).

Вид функції f(α) можна змінювати, підбираючи форму, розміри і взаємне розміщення рухомої і нерухомої котушок. Для вирівнювання шкали потрібно, щоб величина f(α) була якомога більшою при малих кутах відхилення рухомої частини від нуля і далі зменшувалася до кінця шкали.

Таку схему з'єднання обмоток (рис. 4.9) переважно вико­ристовують для вольтметрів. В електродинамічному вольтметрі.

де U — вимірювальна напруга; R_u = R_k + R_d — загальний опір вимірювального кола вольтметра, дорів­нює сумі опорів двох котушок R_kі додаткового резистора R_д.

Звідси

2) В електродинамічних амперметрах струми яких до 0,5 А рухома і нерухома котушки з'єднуються також послідовно. При більшому значенні вимірювального струму І рухома і нерухома частини з'єднуються паралельно (через нагрівання пружинок, які підводять струм) (рис. 4.10).

Для цієї схеми буде

Тобто обертовий момент у амперметра — квадратична функція струму. При паралельному з'єднані обмоток виникає можливість регулювати покази шляхом зміни співвідношення опорів рамок.

3) У ватметрі струм у нерухомій котушці (рис. 4.11) дорівнює струму у контрольованій установці тобто І₂ = І.

До кола рухомої котушки прикладена напруга цієї установки, тобто I₁ =U/R_v, де R_v -

загальний опір кола напруги (паралельного кола) ватметра. Підставимо у формулу значення струмів:

де U · І = Р — потужність контрольованої установки. Відповідно (на відміну від вольтметра і амперметра), обертовий момент ватметра пропорційний значенню вимірювальної потужності Р. Тому шкала ватметра буде рівномірною, при умові М = kм ·α , де км - постійна, і dM/dα = соbst. Практично при конструюванні ватметра цю умову виконують легко, тому ватметри мають рівномірну шкалу. Вираз (4.24) отриманий для постійного струму. Для змінного струму внаслідок інерції рухомої частини її відхилення визна­чається середнім значенням моменту за період T:

де р — миттєве значення потужності, а

де Р — активна потужність кола змінного струму. Відповідно при змінному струмі середнє значення обертового моменту ватметра

Таким чином, електродинамічні прилади використовують для вимірювань у колах постійного і змінного струмів, причому в обох випадках шкала у приладів одна і та ж.

В електродинамічному приладі вимірювані струми збуджують магнітне поле у повітрі, і воно відносно слабеньке. Тому для отримання достатнього обертового моменту потрібні котушки вимірювального механізму з великою кількістю витків. Власне споживання енергії приладом відносно велике (1—2 Вт). Тому їх не використовують з шунтами. Через слабеньке магнітне поле прилад чутливий до зовнішніх магнітних впливів. Для захисту від цих впливів прилади мають екрани. Оскільки струм проходить через рухому частину і умови охолодження погані (тепловіддача через шар повітря), то електродинамічні механізми не пристосо­вані до значних перевантажень (особливо амперметри). Засто­сування додаткових опорів з манганіну дозволяє зменшити вплив температури. У вольтметрах на номінальну напругу 150 В і вище, зміна показів при зміні температури на 10 °С не перевищує 0,5%, для міліамперметрів не більше 0,1%.

Електродинамічні вимірювальні механізми можуть бути частиною самих точних сучасних приладів для вимірювань у колах змінного струму, оскільки у них немає сердечників з феро­магнітних матеріалів і відповідно, виключені похибки, які зв'язані з появою вихрових струмів і гістерезисом. Ці прилади виготов­ляються переважно високої точності 0,1; 0,2; 0,5, а як щитові застосовуються рідко. Прилади бувають лабораторні і контрольні. Недоліки: прилади дорогі, високе власне споживання енергії, чутливі до механічних впливів (поштовхів, вібрації). Вплив частоти на покази приладів зумовлюється наявністю індуктивностей вимірювального кола, але цей вплив малий. Розширювати межі вимірювань цих приладів можна підбором додаткового опору із манганіну (для вольтметрів), а для амперметрів роблять дві межі вимірювань, що досягають поділом нерухомої котушки на дві частини, які можна під'єднувати паралельно або послідовно. Також можна використовувати трансформатори струму. Недоліки електродинамічних механізмів — чутливість до зовнішніх магніт­них полів, малий обертовий момент і низьку стійкість до пере­вантажень — можуть усувати застосуванням феромагнітних сердечників. У простому випадку це може бути циліндричний сердечник для рухомої котушки, подібний до сердечника приладів магнітоелектричної системи. Але застосування феромагнітних сердечників суттєво зменшує точність приладів, внаслідок гісте­резису і вихрових струмів. З цієї причини електродинамічні прилади з феромагнітними сердечниками — феродинамічні прилади — для точних вимірів не застосовуються. їх використо­вують для щитових і самопишучих приладів.

Для зменшення впливу зовнішніх магнітних полів застосовують також астатичні електродинамічні прилади, які мають дві рухомі рамки, закріплені на загальній осі. На кожну з рамок діє поле окремої нерухомої котушки. Нерухомі котушки вмикаються так, що напрямки їх полів у просторі складають кут 180°, у результаті чого вплив зовнішніх полів майже повністю виключається. Прилади електродинамічної системи застосовують в якості лабораторних і точних контрольних. Як технічні, щитові їх використовувати недоцільно через високу ціну і низьку надійність. Прилади використовують для вимірювань при постійному і змінному струмові (при частоті 1000—1500 Гц). Призначення системи: ватметри, самопишучі амперметри, вольтметри (постійного і змінного струмів).