3.4. Приборы индукционной системы Общие сведения

Индукционные приборы состоят из индукци­онного измерительного механизма с отсчетным устройством и из­мерительной схемой.

  Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в по­движной части, выполненной в виде алюминиевого диска.

В настоящее время из индукционных приборов находят применение счетчики электрической энергии в цепях переменно­го тока.

Счетчики электрической энергии. Устройство и схема включе­ния индукционного счетчика показаны на рис. 31.

Рис. 31 Устройство и схема включения индукционного счет­чика

1 – трехстержневой магнитопровод с обмоткой напряжения; 2 – счетный механизм; 3 – алюминиевый диск, укрепленный на оси; 4 – постоянный магнит для создания тормозного момента; 5 – П-образный магнитопровод с токовой обмоткой

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что вращающий момент пропорционален мощности переменного то­ка, т. е.

^,

где k – постоянный коэффи­циент.

На подвижную часть счетчика (алюминиевый диск) действует тормозной момент,  пропорциональный  частоте вращения диска. Этот момент создается в результате действия тока, наводимого во вращающемся между полюсами постоянного магнита диске, и определяется выражением

где k₁ – постоянный коэффициент; – частота вращения диска.

Приравнивая вращающий и тормозной моменты, получим

Число оборотов диска N за время ∆t измерения энергии опре­деляется интегралом по времени от частоты вращения диска  т. е.

где – постоянная счетчика; W – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени At.

Единице электрической энергии (обычно 1 кВт-ч), регис­трируемой счетным механизмом, соответствует определенное чис­ло оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение, называемое передаточным числом А, указывается на счетчике.

Величину, обратную передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называют номинальной постоянной С_ном. Значения А и С_ном  зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика оста­ются неизменными.

Под действительной постоянной счётчика С понимают коли­чество энергии, действительно прошедшей через счетчик за один оборот подвижной части.

3.5. Приборы детекторной системы Амперметры и вольтметры выпрямительной системы.

Они представляют сочетание  измерительного механизма магнитоэлектрической системы с выпрямителем на полу­проводниковых диодах. В выпрямителях применяются дио­ды из германия или кремния.

Сопротивление полупроводникового диода зависит от полярности приложенного напряжения. При напряжении одной полярности сопротивление диода мало, а при напря­жении противоположной полярности сопротивление диода резко возрастает. Сопротивление диода в первом случае называют прямым Rпр, а во втором – обратным Rобр. Если к диоду приложить переменное напряжение, то он будет пропускать ток практически только в одном направлении, т. е. в течение одной половины периода.

Величиной, количественно характеризующей выпрямительные свойства диодов, является коэффициент выпрямления k_в, под которым понимают отношение прямого тока I_пр к обратному l_обр или, что то же самое, отношение обратно­гo сопротивления к прямому, т. е. k_в = l_пр/l_обр= R_обр/R_пр. Значение k_в зависит также от частоты протекающего тока и температуры окружающего воздуха.  

 

Рис. 32. Схема и временные диаграммы токов выпрямительного амперметра с однополупериодным выпрямителем

Схемы соединений диодов с измерительными механизма­ми можно разделить на две основные группы: однополупе­риодные и двухполупериодные. В амперметре с однополу­периодной схемой выпрямления (рис. 32) через измери­тельный механизм, включенный последовательно с диодом VD1, проходят полуволны переменного тока I_o одной поляр­ности, а полуволны другой полярности проходят через диодVD2 и резистор R. Диод VD2 защищает диод VDl от про­боя и создает цепь для тока через нагрузку при обратной полуволне. Значение сопротивления R выбирается равным сопротивлению измерительного механизма. Благодаря это­му сопротивление прибора будет одинаковым для любого направления тока.

Наиболее распространенными являются приборы с двух­полупериодными схемами выпрямления, изображенными на рис. 33.

Диоды включены во вторичную цепь трансформатора (рис. 33,а) так, что ток через измерительный механизм в течение любого полупериода всегда проходит в одном на­правлении. Трансформатор позволяет электрически изоли­ровать цепь измерительного механизма (цепь выпрямлен­ного тока) от цепи измеряемого переменного тока или на­пряжения.

 

        а)                    б)                              в)                            г)

Рис. 33. Двухполупериодные схемы включения измерительного механизма с выпрямителем

В схеме рис. 33,б четыре диода образуют плечи мосто­вой симметричной цепи, в диагональ которой включен измерительный механизм. Ток все время протекает через изме­рительный прибор в одном направлении, а среднее значение выпрямленного тока в мостовой схеме по сравнению с одно­полупериодной схемой увеличивается вдвое.

В мостовых схемах (рис. 33,в и г) два диода заменены резисторами, сопротивление которых равно прямому сопро­тивлению диодов. Так как в этих схемах используются только два диода, то у приборов с такими схемами умень­шается погрешность от изменения температуры окружаю­щей среды. Однако в приборах со схемами по рис. 33,в и г необходимо использовать более чувствительный измери­тельный механизм, так как в него ответвляется лишь часть (30–40 %) выпрямленного тока (рис. 33,в) или часть переменного тока вообще не выпрямляется (рис. 33,г).

При измерении переменного тока мгновенное значение вращающего момента М (t), действующего на подвижную часть магнитоэлектрического измерительного механизма при протекании по его рамке пульсирующего выпрямленно­го тока:

М (t) = B∙s∙w∙i,

где i – мгновенное значение тока, протекающего через из­мерительный механизм.

    Угол поворота подвижной части при одно- и двухполу­периодном выпрямлении соответственно равен

.

При измерениях в цепях переменного тока обычно из­меряют действующее значение тока (напряжения). Учитывая, что отношение действующего значения тока к средне­му значению называется коэффициентом формы k_ф=I/I_ср, для угла поворота подвижной части при двухполупериод­ном выпрямлении получим

.

Выпрямительные приборы градуируют в действующих значениях тока (напряжения) при синусоидальном токе (для сиинусоиды k_ф=1,11). При отличии формы кривой из­меряемого тока (напряжения) от синусоиды в показаниях прибора возникает погрешность.

Шкала у выпрямительного прибора вследствие нелиней­ности вольт-амперной характеристики диодов несколько сжата, но начиная с 10–15 % длины шкалы имеет равно­мерный характер.

Схемы на рис. 33 в сочетании с шунтами и добавочны­ми резисторами могут применяться для измерения токов и напряжений.

На рис. 34 приведены схемы выпрямительных вольт­метров, а на рис. 33 – амперметров. Выбор той или иной схемы определяется назначением прибора, его пределом из­мерения, влиянием внешних факторов, из которых наибо­лее существенное значение имеют температура окружающей  среды и частота измеряемого тока.

 При повышении температуры уменьшаются как сопро­тивления диода, так и коэффициент выпрямления k_в, в ре­зультате чего возникает температурная погрешность. Влия­ние частоты переменного тока проявляется в том, что вследствие шунтирующего действия межэлектродной ем­кости диода коэффициент выпрямления k_в с ростом часто­ты уменьшается.

В вольтметрах на малые напряжения (рис. 34,а) с не­большим добавочным резистором Rд уменьшение эквива­лентного сопротивления выпрямительной схемы при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением сопротивления добавочного резистора, частич­но выполненного из меди. У вольтметров на большие напря­жения (рис. 34,б.) с большим добавочным резистором R_д уменьшение коэффициента выпрямления k_в больше влияет на изменение показаний при увеличении температуры ок­ружающей среды. Для компенсации температурной погреш­ности выпрямительную цепь шунтируют сопротивлением с положительным температурным коэффициентом.

Компенсация частотной погрешности в схеме рис. 34,а осуществляется емкостью С, а в схеме рис. 34,б – индук­тивностью L.

а) б)

Рис. 34. Схемы вольтметров выпрямительной системы:   а) – на малые напряжения; б) – на большие напряжения

При повышении частоты общий ток в схеме рис. 35, а возрастает и компенсирует уменьшение вып­рямленного тока в измерительном механизме. В схеме рис. 35, б с возрастанием частоты увеличивается сопротивле­ние шунтирующей цепи и в выпрямленную цепь поступает относительно больший ток, что приводит также к компенса­ции частотной погрешности.

Рис. 35. Схемы амперметров выпрямительной системы:

а – на малые токи; б – на большие токи

 

В выпрямительных миллиамперметрах на малые преде­лы измерения (рис. 35,а) почти весь измеряемый ток про­текает через выпрямительную цепь, а шунтирующая цепь используется для температурной и частотной компенсации. Амперметр на большой ток представляет собой мили­ вольтметр, измеряющий падение напряжения на шунте Rш. Компенсация погрешностей от измерения температуры окружающей среды и частоты тока в амперметрах произ­водится по тому же принципу, что и у вольтметров.

Достоинствами выпрямительных приборов является вы­сокая чувствительность (наименьшие пределы измерения пе­ременных токов и напряжений 0,25–0,3 мА и 0,25–0,3 В), малое собственное потребление мощности, широкий частот­ный диапазон (до 10–20 кГц).

Недостатки приборов: невысокая точность (классы точ­ности 1,0–2,5) и зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины.

Отечественной промышленностью выпускаются много­предельные ампервольтметры показывающие и самопишу­щие, а также выпрямительные фазометры и самопишущие частотомеры, использующие магнитоэлектрический лого­метр.