4.5. Электромагнитные приборы
Принцип и устройство измерительного механизма. Работа механизма основана на взаимодействии подвижного ферродинамического сердечника с магнитным полем катушки, по которой протекает измеряемый ток. На рис. 4.6 представлен один из возможных вариантов конструкции электромагнитного механизма.
Рис. 4.6. Электромагнитный механизм
Неподвижную часть механизма образует катушка 1, по которой протекает измеряемый ток. Подвижная часть представляет собой сердечник 2, имеющий форму лепестка и изготовленный из магнитомягкого материала. Лепесток может свободно поворачиваться на кернах или растяжках. Противодействующий момент создают упругие элементы – растяжки или спиральная пружина 3. При прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки.
Уравнение преобразования. Энергия магнитного поля катушки при постоянном токе
где L – индуктивность катушки.
Вращающий момент в соответствии с формулой (4.1)
.
Приравняв вращающий и противодействующий моменты, имеем
.
(4.8)
Поскольку момент пропорционален квадрату тока, его направление не зависит от направления тока, следовательно, в отличие от магнитоэлектрического, этот прибор не полярный.
При переменном токе вращающий момент будет пульсировать, оставаясь положительным независимо от направления тока. Мгновенное значение момента
.
При синусоидальном
токе (
)
.
Угол поворота подвижной части определяется средним значением момента
.
Указатель прибора повернется на угол
, (4.9)
г
де
I – действующее
значение переменного тока.
Сравнивая уравнения преобразования для постоянного (4.8) и переменного (4.9) тока, отмечаем их полное совпадение. Это означает, что электромагнитные приборы являются универсальными по роду тока. Причем при переменном токе их показания соответствуют действующему значению измеряемого тока. Этот вывод можно распространить и на случаи, когда ток имеет несинусоидальную форму, поскольку такой ток может быть представлен в виде бесконечного ряда синусоид (гармоник).
Особенности электромагнитных приборов следующие:
Шкалы электромагнитных приборов неравномерны, поскольку нелинейна функция (I). Придавая лепестку надлежащую форму, можно добиться, чтобы производная
стала убывающей функцией. Это делает
шкалу практически равномерной за
исключением начального нерабочего
участка протяженностью 15–20% от длины
шкалы.
При переменном токе часть электромагнитной энергии расходуется на потери в лепестке от гистерезиса и вихревых токов, что приводит к росту погрешности. Потери, а значит и погрешности, растут с увеличением частоты, поэтому предельная частота, при которой используют такие приборы, обычно не превышает 150–200 Гц.
По точности электромагнитные приборы уступают магнитоэлектрическим: достижимый класс точности у них 0.5, а чувствительность ниже, чем у магнитоэлектрических на несколько порядков.
Из-за слабого собственного магнитного поля механизмы приборов требуют магнитного экранирования.
Применение. Основная область применения электромагнитных приборов – измерение переменных токов и напряжений промышленной частоты. Схемы включения измерительных цепей соответствуют рис. 4.5. Однако в отличие от магнитоэлектрических электромагнитные амперметры позволяют производить прямые измерения больших токов и обладают высокой перегрузочной способностью.