2.1.2Електродинамічні, феродинамічні, електростатичні та індукційні перетворювачі

2.1.2 Електродинамічні, феродинамічні, електростатичні та індукційні перетворювачі

Електродинамічні та феродинамічні перетворювачі і прилади електродинамічної системи, побудовані на їх основі, застосовують для вимірювання потужності, стру­му, напруги у колах постійного та змінного струмів. Крім того, у колах змінного струму електродинамічні прилади застосовують як частотоміри та фазометри.

Електродинамічний прилад складається з таких основних частин (рис.2.1.2.1, а): нерухомої котушки 1, яку

вмикають, як правило, послідовно зі споживачем; рухо­мої котушки 2, закріпленої на осі, яку вмикають пара­лельно споживачеві; спіральних пружин 3, які створю­ють момент протидії і за допомогою яких струм подається у рухому котушку; стрілки 4, жорстко скріпленої з рухомою котушкою, та шкали з нанесени­ми поділками і цифрами.

Принцип дії приладів електродинамічної системи ґрун­тується на взаємодії провідників зі струмом І₁ рухомої котушки з магнітним полем, створеним струмом І₂ у неру­хомій котушці.

Ця взаємодія характеризується обертальним моментом, який визначається за формулою:

де k_M — конструктивна стала приладу.

Феродинамічний прилад (рис.2.1.2.1, б) відрізняється від електродинамічного лише тим, що його нерухомі котушки мають магнітопровід 5 з магнітом'якого матеріалу.

Електродинамічні прилади застосовують найчастіше як ватметри для вимірювання потужності у колах як постійно­го, так і змінного струмів. У такому разі нерухома котушка вмикається послідовно зі споживачем, а рухома – пара­лельно.

Послідовно з рухомою котушкою вмикається додатковий опір R_дод для зменшення власного споживання енергії і підвищення точності. Струм у рухомій котушці І_U, згідно із законом Ома, прямо пропорційний напрузі на спожива­чеві U:

де R_U, R_дод – опори рухомої котушки і додаткового резистора.

Обертальний момент електродинамічного ватметра прямо пропорційний ак­тивній потужності, тому шкала електродинамічних ват­метрів рівномірна.

В електродинамічних та феродинамічних ампермет­рах нерухому і рухому котушки з'єднують послідовно.

У такому випадку через котушки протікає один і той же струм

і обертальний момент пропорційний квадрату струму: .

В електродинамічних вольтметрах послідовно з'єдну­ють нерухому і рухому котушки, а також додатковий ре­зистор. Струм у такому послідовному з'єднанні

Обертальний момент пропорційний квадрату напруги

Електродинамічні прилади придатні для роботи як в колах постійного, так і змінного струму. У колах змінного струму електродинамічні прилади мають най­вищу точність порівняно з іншими електромеханічними приладами. Проте на роботу електродинамічних при­ладів сильно впливають зовнішні магнітні поля.

Прилади електростатичної системи застосовують­ся головним чином як вольтметри для вимірювання на­пруг у колах постійного та змінного струму.

Вольтметр електростатичної системи складається з таких основних частин (рис. 2.1.2.2): системи нерухомих електродів 1; системи рухомих електродів 2; спі­ральної пружини 3 для створення моменту протидії та для підведення напруги до рухомих електродів; стрілки 4, закріпленої на осі разом із системою рухо­мих електродів.

Якщо до рухомих електродів підвести потенціал одного знака, а до нерухомих — іншого, то електроди матимуть заряди протилежних знаків і притягуватимуться один до одного з силою, яка пропорційна заряду електродів:

Оскільки заряд прямо пропорційний напрузі, то

,

де С — ємність між електродами. Сила взаємодії, а також обертальний момент будуть прямо пропорційні квадрату прикладеної до електродів напруги:

Позитивними якостями приладів електростатичної систе­ми є:

• здатність вимірювати великі напруги безпосередньо без додаткових пристроїв;

• придатність для вимірювання як постійних, так і змін­них напруг;

• незначна потужність, яку споживають прилади;

• широкий частотний діапазон вимірювання.

Недоліками цих приладів слід вважати низьку точність та чутливість, а також сильний вплив зовнішніх чинників (вологості, електричних полів).

Індукційні прилади застосовуються здебільшого як лі­чильники електричної енергії.

Індукційний лічильник електричної енергії (рис. 2.1.2.3) складається з електромагніту 1 з обмоткою, по якій

проходить струм споживача (обмотка струму); електромагні­ту 2 з обмоткою, яка увімкнена паралельно споживачеві (обмотка напруги); постійного магніту 3, призначеного для створення гальмівного моменту; легкого алюмінієвого диску 4, який вільно обертається на осі; механічного ре­дуктора для зменшення частоти обертання диска в задане число разів та механізму відліку.

Принцип дії індукційного лічильника електричної енергії ґрунтується на взаємодії магнітних полів, електро­магнітів зі струмами, наведеними за законом електро­магнітної індукції в алюмінієвому диску.

В результаті такої взаємодії до диска прикладено обер­тальний момент, значення якого пропорційне активній по­тужності споживача:

де k_M — коефіцієнт пропорційності.

На диск діє також гальмівний момент, який виникає від взаємодії струмів, наведених в диску, з магнітним по­лем постійного магніту. Значення гальмівного моменту прямо пропорційне частоті обертання диска:

де k_пр — коефіцієнт пропорційності.

Коли настане рівновага моментів, тобто частота обертання диска буде прямо пропорційна активній потужності споживання:

Кількість обертів N за проміжок часу Δt буде прямо пропорційна електричній енергії W, яку споживає спожи­вач за час Δt:

Крім однофазних лічильників, випускаються також трифазні лічильники для вимірювання витрат електрич­ної енергії в трифазних енергетичних системах.

До переваг електромеханічних лічильників енергії слід віднести їх простоту, здатність до перевантажень, а також здатність зберігати покази під час вимикання живлення.

Недоліками індукційних лічильників є невисока точ­ність, залежність показів від температури та частоти. Останнім часом інтенсивно розробляються і впроваджуються електронні та цифрові лічильники енергії.