Электродинамические приборы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток. Устройство электродинамического измерительного механизма показано на рис. 2.16. Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2. Ток к подвижной катушке подается через пружинки (на рис. 2.16, не указаны), которые при повороте этой катушки создают противодействующий момент. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Чтобы вывести уравнение преобразования, запишем выражение для электрокинетической энергии двух катушек с токами:

(2.47)

где L ₁, и L ₂ —индуктивности неподвижной и подвижной катушек; I ₁, I ₂ — токи в этих катушках.

Поскольку от угла поворота подвижной катушки a зависит только M —взаимная индуктивность катушки, то вращающий момент

(2.48)

При равновесии вращающий и противодействующий моменты уравновешены: М _вр =М _пр, т.е.

(2.49)

где W— удельный противодействующий момент пружины.

Следовательно, уравнение преобразования прибора

(2.50)

Если по катушкам протекают переменные токи

и

то для нахождения угла отклонения подвижной части прибора следует подставить выражения для этих токов в (2.50) и произвести усреднение по времени:

где I ₁и I ₂ — действующие значения токов в катушках.

Из уравнения преобразования

(2.51)

следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на переменном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разности фаз между этими токами. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис. 2.17) или параллельно (рис. 2.18). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5А), не способных повредить тонкие пружинки, по которым ток подводится к подвижной катушке. При больших токах (до 10 А) катушки включаются параллельно, причем соотношение сопротивлений цепей катушек выбирается таким образом, чтобы ток через подвижную катушку не превышал допустимого значения. Резистор R и катушки индуктивности L ₁ и L ₂, показанные на рис. 2.18, служат для компенсации температурных и частотных погрешностей.

В последовательной схеме амперметра I ₁ =I ₂ =I, j ₁ —j ₂ = 0, поэтому уравнение преобразования (2.51) сводится к виду

(2.52)

т.е. при условии ¶ M/¶ a = const угол поворота стрелки квадратично зависит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна: она сжата на начальном участке и растянута на конечном. Работать с прибором, имеющим неравномерную шкалу, очень неудобно, поэтому расположение и форму катушек выбирают таким образом, чтобы производная ¶ M/¶ a не оставалась постоянной, а существенно зависела от угла между подвижной и неподвижной катушками. Изменяя ¶ M/¶ a, удается делать шкалу практически равномерной (исключая начальный участок, составляющий примерно пятую часть от всей шкалы).

В параллельной схеме I ₁ =k ₁ I; I₂=k ₂ I, а разность фаз также устанавливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек. Таким образом, квадратичность преобразования и необходимость получения более равномерной шкалы сохраняется и в этом случае.

При измерении электродинамическими амперметрами токов, превышающих 10А, используются измерительные трансформаторы тока.

Вольтметры выполняются по схеме, представленной на рис. 2.19. Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R _доб. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

(2.53)

где R —общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением ¶ M/¶ a добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольтметров.

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными. Это достигается при помощи нескольких добавочных резисторов. При измерении повышенных напряжений (свыше 600В) применяются измерительные трансформаторы напряжения.

При построении ваттметров используется тот факт, что уравнение преобразования (2.51) электродинамического механизма содержит произведение токов в катушках. Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой нагрузкой Z _н, приведена на рис. 2.20. Ток I ₁в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I ₂в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению: I ₂= U(R _доб + r), где R _доб—сопротивление добавочного резистора; r— сопротивление подвижной катушки. С учетом этого уравнение шкалы (2.51) для ваттметра

(2.54)

где j —угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током I _н в нагрузке; Р— активная мощность нагрузки.

Таким образом, уравнение преобразования электродинамического ваттметра

(2.55)

имеет линейный характер.

Электродинамические ваттметры выполняют в виде многопредельных

лабораторных переносных приборов самых различных, в том числе и достаточно высоких, классов точности (0,2; 0,1). Диапазон измеряемых мощностей таких приборов—от долей ватта до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленных частот (50т, 400Гц).

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности. Они обусловлены ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Ферродинамические приборы по существу являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются не по принципу действия, а конструктивно. Для увеличения чувствительности катушка ферродинамических приборов имеет магнитно-мягкий сердечник—магнитопровод, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, вращающий момент и чувствительность. Однако одновременно из-за нелинейности магнитных характеристик сердечника снижается точность прибора и увеличиваются его частотные погрешности. Ферродинамические приборы широко используются в качестве щитовых ваттметров, а также амперметров и вольтметров для измерения в цепях промышленной частоты.