Elektrotehnika_i_elektronika_2008

`..

Наибольшее распространение. в электротехнической практике получили показывающие приборы, т.

оценкй, или прямого отсчета. Приборы этогo типа независимо от принципа действия 'и назначения состоят из двух основных частей: . измерительной цепи и измерительного механизма. Простейшая измерительная цепь, например вольтметра, представляет собой катуш-

ку c последовательно подсоединенным добавочным

ем. При постоянном .сопротивлении такой цепи через катушку

проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению.

В простейшем амперметре измерительная цепь состоит из изме-

рительной катушки, последовательно. подключенной к электрической сети; в которой необходимо измерить ток.

Измерительный механизм предназначeн для преобразо$ания

. подводимой к нему . электричeскoй энергии в механическую энергию перемещения подвижной части. прибора и связанной с ней стрелкой : илиЬ другим указательным устройством, каждому положению которого соответствует определенное значение измеряемой величины.. Одинаковый по конструкции измерительный механизм.

в сочетании c различными измерительными цепями можно приме-

Рис. 3.1. Прибор электромагнитной системы

Электрическая сила, действующая на стальной сердечник и вызывающая его перемещение, может быть выражена через соответ- ствующее этому перемещению изменение энергии магнитного поля:

д WM

Еэм = дХ. •

При. повороте подвижной части прибора на угол да при плече r

за счет приложенной силы РэМ переменная дХ = гда. Тогда враща

ющий момент

М=F .^_

вР эм да '

Так как энергия магнитного поля катушки электромагнитного

прибора Иям = L • I2 /2, то при повороте подвижной части прибора

и, естественно, ферромагнитного сердечника изменяется индуктив-

ность L, а значит,. и энергия магнитного поля. Поэтому вращающий

момент электромагнитного прибора .

_дИм _ 1 . 2 дL

ВР да 2 да

Противодействующий момeнт, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу перемещения подвижной части электромагнитного прибора a, т. e. Мер = Ка. При установившемся состоянии подвижной части прибора, когда вращающий момент равен _противодействующему, имеем МО =- М, или

12. Элек•гротехника .и электронкка. Уч. пос,

-1 'I2 , дL _ Ка

2 да '

откуда получаем. зависимость, описывающую угол перемещения .

подвижной части электромaгнитного прибора:

Из выражения (2) видно, что угол перемещения подвижной час-

ти прибора, пропорционален квадрату 'измеряемого тока и измене-

нию индуктивности прибора при повороте его подвижной части,

т. e. дL/да.

При изменении направления тока в катушке электромагнитного прибора меняютcя одновременно на противоположные магнит нь1е полюсы ферромагнитного сердечника, вследствие чего направление вращающего момента подвижнoй части прибора не меняется. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Основные достоинства приборов электромагнитной системы — простота и надежность устройства, высокая перегрузочная способ-

ность (сечение провода для .катушки может быть взято с запасом), дешевизна и возможность использования для измерений в цепях

постоянного и переменного токов.

К недостаткам приборов этой системы можно отнести невысокий класс точности измерений, который обычно не выше 1,0 из-за влияния гистер.езиса; относительно большое собственное потребле-

. ние. мощности (в катушках амперметров -- до 1 Вт, . а в вольтметрах c потреблением мощности в добавочных сопротйвлениях -- до б' Вт); неравномерность шкалы (особенно сильно она сжата в начале); низкая чувствительность, из-за чего эти приборы непригодны для

измерения малых токов и напряжений; зависимость показаний от внешних магнитных полей, так как собственное поле катушки расположено в воздушной среде и поэтому его индукция незначительна; ограниченность диапазона частот (не выше 8000 Гц).

Необходимо отметить, что приборы электромагнитной системы

из-за дешевизны; простоты устройства' и большой перегрузочной спо^

собности широко используются в промышленных электротехнических устройствах.'низкой частоты в виде амперметров и вольтметров.

3.5.2. 'Пpибop^i элeктpoдинaмичecкoй систем

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии пpoвoдникoв c токами. Известно, что два проводника c токами взаимно отталкиваются, если токи в них имe-

355 Глава З. Электрические измерения и приборы

ют одинаковое направление, и взаимно притягиваются при различном ' направлении токов:

Прибор этой системы' (рис: 13.2) .состоит из двух катушек: непод-

вижной 3, состоящей из двух секций, . которы е соединены между собой последовательно, .и .подвижной S, закрепленной на оси 4 й

вращающейся на ней внутри неподвижной катушки. Ток к подвиж-

ной катушке подводят через закрепленные на оси спирaльные пружинки б, которые одновременно создают противодействующий. мо-

мент МЭР, пропорциональный углу закручивания а. При этом

пружина электрически изолирована от оси. На оси подвижной катушки закреплены также указательная стрелка .2 и крыло воздушного ус-

покоителя (на рис. не показан). Для повышения класса точности прибора и его чувствительности обмотку подвижной: катушки выполняют

из тонкой изолированной проволоки на ток не более 0,5 А.

1

Рис. 3.2. Прибор электродинамической системы

При прохождении токов по катушкам электродинамического

прибора ток подвижной катушки .I2 взаимодействует c магнитным потоком Ф1 , созданным током I1 неподвижной катушки, т. е. создается вращающий момент МВД. Его определяют через изменение

энергии магнитного поля при повороте его подвижной части, т, e.

согласно выражению МВР = д ТWМ l да , .При перемещений подвиж -

ной катушки изменяются энергия магнитного поля и, следователь-

но, взаимная индуктивность М катушек. Энергия магнитного поля

взаимной индуктивности .

Подставляя в выражение вращающего момента значение W из

(3) и считая токи подвижной I2 и неподвижной I1 катушек неизмен-

ными, получают общее выражение вращающёго момента для электродинамических приборов:

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу перемещения подвижной части прибо-

ра: М1 = Ка . При установившемся состоянии подвижной части при•• бора, когда вращающий момент равен противодействующему, имеем

М = МпР или I1 ' 12' дМ / да = Ка . Из этого выражения находят

Из (5) следует, что угол поворота подвижной части электродинамического прибора пропорционален произведению токов . в его ка=

тушках и изменению их взаимной индуктивности при повороте подвижной части прибора дМ/да. На характер изменения взаимной

индуктивности можно воздействовать путем подбора формы хатушек и их начального взаимного положения.

При использовании электродинамического прибора в качестве амперметра на ток свыше 0,5 A подвижную и неподвижную катушки соединяют параллельно (рис. 3.3).

При этом I1 = К1'; I2 "К21 и

a1 = К1к2ТС, I2дМ / да = С1 I2дМ 1 д^

гд^е С1= К1Кг

K .

Рис. 3.3. Схема соединения катушек амперметра при токе более 0,5 A

. Электродинамические приборы, катушки которых имеют ферромагнитные сердечники, получили название ферродинамических. Эти приборы в отличие от электродинамических обладают меньшей точностью из-за влияния гистерезиса и вихревых токов, их высший

класс точности 1,5. Ферродинамические приборы применяют глав-

ным образом для измерений в цепях переменного тока в качестве щитовых и самопишущих приборов (благодаря их большому вращающёму моменту) в диапазоне частот от 10 до 1500 Гц.

3;5.3. Приборы магнитоэлектрической системы

Магнитоэлектрическая система измеритёльных приборов (рис. 3.4) отличается тем, что в ней используется взаимодействие поля постоянного магнита 1 c токовым контуром катушки '2, внутри которой располагается неподвижный магнитный сердечник З. Измерительный . механизм такого прибора так же, как и в предыдущем случае, включает в себя ось, установленную в подшипниковых опорах и имеющую противодействующие пружины, указательную стрелку c балансировочными грузами и 'циферблат. Рамка c катушкой 2 жес-

тко соединена co стрелкой прибора. Ток в рамку поступает через две

спиральные пружины. Один конец спиральки закреплен неподвижно на корпусе прибора, a другой — на оси. Конечно, спиральки изо-

лированы _специальными прокладками и от оси, и от корпуса. Пружинки выполнены из специальной фосфористой бронзы. Они хорошо проводят электрический ток и обладают упругими свойствами. Их механические параметры не должныi изменяться co временем под влиянием нагрева.

РНе. 3.4. Магнитоэлектрическая сис`гема измерительных приборов

'Направление силы, с которой магнит действует на рамку c током, может быть найдено по правилу левой руки.

Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения

токов постоянного направления. Переменный ток низкой частоты

вызывает колебания стрелки вправо и влево, a при частоте 5o п стрелка прибора не успевает перемещаться вслед за изменением тока и останавливается вблизи нулевой отметки. .

B магнитоэлектрическом приборе сильное магнитное поле, по-

этому даже небольшой ток создает значительную движущую силу.

Это означает, что прибор обладает высокой чувствительностью, по-

зволяет измерять очень маленькие токи.

Сила, действующая на стрелку, пропорциональна току, поэтому и угол поворота стрелки прямо пропорционален току — шкала при-

бора получается равномернoй. Это важное преимущество, так как с равномерной шкалой работать очень удобно. Поскольку магнитная система прибора имеет свое сильное магнитное поле, влияние

внешних магнитных полей на работу прибора пренебрежительно мало. , -

к недостаткам приборов данной системы: можно отнести: изме-

рение токов и напряжений только .постоянной величины и измене ние магнитного поля постоянного магнита c течением времени.

3.5.4. приборы индукционной системы

Работа приборов индукционной системы основана на использо-

явления возникновения вращающегося (или бегущего) магвании

нитного поля, т. e. на способности этих полей создавать вращающий

мoмeнт, действующий на подвижное металлическое тело, помещен-

Индукционные приборы применяют для измерения тока, напря-

жения, мощности и энергии в цепях переменного тока. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счетчика электрической энергии однофазного переменного тока (рис. 3.5). .

' B индукционном сердечнике бегущее магнитное поле создается токами его катушек, индуцирует в алюминиевом подвижном диске вихревые токи. Взаимодействие. бегущего магнитного поля c вихревы мй токами создает вращающий момент; заставляющий диск вращаться в ту же сторону, .в которую. вращается поле. Противодейству-

ющий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита 8 c наводимыми им во вращающемся алюминиевом диске вихревыми токами.

Подвижная часть прибора представляет собой алюминиевый.

диск 5, укрепленный на оси 4. Неподвижная часть счетчика состо-