Ферродинамические измерительные механизмы

Устройство ферродинамического измерительного механизма показано на (рис. 3.6 а). Здесь магнитный поток создается не постоянным магнитом, а электромагнитом. Магнитная цепь электромагнита, состоящая из ярма 1 и сердечника 5, выполнена из листовой мягкой стали или прессованного ферромагнитного порошка, обладающего малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Ток в катушках 2, надетых на ярмо, возбуждает в воздушном зазоре равномерное радиальное поле, в котором помещена подвижная катушка 3. Противодействующий момент создается двумя пружинами 4, одновременно служащими для подвода тока к рамке.

Ферродинамический измерительный механизм применяется для измерений на переменном токе. При мгновенных значениях тока в рамке и потоке можно записать выражение для мгновенного значения вращающего момента в виде

M _{вр t} = B_tswi _p,

где B_t и i _p — мгновенные значения магнитной индукции в зазоре и тока в рамке соответственно; s и w — площадь и число витков в рамке.

Положим, что

B_t = B _maxsinω t,

где B _max — максимальная индукция в зазоре; ω — угол отклонения,

тогда

i _p = I _pmaxsin (ω t ‒ ψ),

где I _pmax — максимальный ток в рамке; ψ — сдвиг по фазе между током в рамке и потоком.

Подвижная часть механизма из-за своей инерционностине может следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента за периодT:

M _вр.ср = sw _maxsinω tI _pmaxsin (ω t ‒ ψ) d t = B _max I _pmax sw ω t sin (ω t ‒ ψ) d t = B _max I _pmax sw cosψ.

Переходя к действующим значениям, получим

M _вр.ср = cosψ = BswI _pcosψ.

Противодействующий момент, создаваемый пружинами,

M _пр = W α,

где W — удельный противодействующий момент пружины; α — угол отклонения подвижной части.

Установившееся отклонение будет иметь место при равенстве вращающего и противодействующего моментов:

BswI _pcosψ = W α,

откуда

α = I _p.

Так как индукция в зазоре пропорциональна току в неподвижных катушках, т.е. B = k ₁ I ₁, то

α = I ₁ I _pcosψ, (3.4)

где I ₁ — сила тока в неподвижных катушках; I _p — сила тока в рамке.

В зависимости от назначения измерительного механизма катушки возбуждения 2 и рамка 1 между собой могут соединяться последовательно (рис. 3.6 б), параллельно (рис. 3.6 в) или же включаться в различные участки измеряемой цепи. Если катушки возбуждения питаются независимо от измерительной цепи и в нее включается лишь рамка измерительного механизма (рис. 3.6 г), то справедлива формула (3.4). В данном случае шкала (α = f (I _p)) измерительного механизма получается равномерной.

При соединении катушек последовательно (см. рис. 3.6 б) I ₁ = I _p = I, где I — измеряемый ток и cosψ = 1, тогда

α = I ². (3.5)

При соединении катушек параллельно (см. рис. 3.5 в) токи в катушках будут пропорциональны измеряемому токуI:

I ₁ = k ₂ I.

Следовательно,

α = I ²cosψ = cosψ I ², (3.6)

где k, k ₁, k ₂, k ₃ — коэффициенты пропорциональности.

Формулы (3.5) и (3.6) показывают, что шкала получается неравномерной.

Ферродинамический механизм обладает следующими свойствами:

Ø угол отклонения подвижной системы пропорционален действующим значениям переменных токов, протекающих по катушкам;

Ø шкала может быть либо равномерной, либо неравномерной;

Ø непосредственное измерение тока при независимом возбуждении и креплении рамки на кернах ограничено верхним пределом, не превышающим долей ампера, и нижним пределом — порядка долей миллиампера. При параллельном соединении катушек возбуждения и рамки верхний предел может достигать 5...10 А. Повышение предела измерения требует применения дополнительных преобразователей;

Ø потребление мощности при независимом возбуждении аналогично потреблению мощности магнитоэлектрическим механизмом; при последовательном или параллельном соединении рамки и катушек возбуждения потребление мощности возрастает.