Приборы электромагнитной системы

Лекция 16

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на механизме втягивания подвижного ферромагнитного сердечника внутрь неподвижной катушки под действием ее магнитного поля, создаваемого в катушке проходящим через нее измеряемым током.

Наиболее широко распространены электромагнитные приборы с плоской катушкой (рис. 9.6). Прибор состоит из прямоугольной непод-вижной катушки 5, через которую проходит измеряемый ток. Катушка имеет узкую щель, в которую может входить сердечник, выполненный
в виде тонкого лепестка 2 из магнитомягкой стали и закрепленной эксцентрично на оси прибора. К этой же оси прикреплены указательная стрелка 1, спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент, и поршень 4 воздушного успокоителя 3, создающего демпфи-рующий момент. Концы оси прибора удерживаются в подшипниках. Ток   I, проходя через витки катушки, создает магнитный поток, который, намагничивая стальной сердечник, втягивает его в катушку, причем тем сильнее, чем больше магнитная индукция поля катушки. При втягивании стального сердечника ось прибора поворачивается и стрелка отклоняется на некоторый угол α.

Электромагнитная сила, действующая на стальной сердечник и вызывающая его перемещение, может быть выражена через соответствующее этому перемещению изменение энергии магнитного поля:

 

При повороте подвижной части прибора на угол ∂α при плече r засчет приложения силы F_ЭM переменная ∂Х = r∂α. Тогда вращающий момент

Так как энергия магнитного поля катушки электромагнитного при-бора W_M = LI²/2, то при повороте подвижной части прибора и, естественно,
ферромагнитного сердечника изменяется индуктивность L, а значит, и энергия магнитного поля. Поэтому вращающий момент электро-магнитного прибора

 (9.11)

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий мо-мент, пропорционален углу перемещения подвижной части электро-магнитного прибора α, т. е. М_пр, = Кα. При установившемся состоянии подвижной части прибора, когда вращающий момент равен противо-
действующему, имеем М_вр = M_пр, или , откуда получаем зависимость, описывающую угол перемещения подвижной части
электромагнитного прибора:

 (9.12)

Из выражения (9.12) видно, что угол перемещения подвижной части прибора α пропорционален квадрату измеряемого тока и изменению индуктивности прибора при повороте его подвижной части, т. е. ∂L/∂α.

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

Основные достоинства приборов электромагнитной системы - про-стота и надежность устройства, высокая перегрузочная способность (сечение провода для катушки может быть взято с запасом), дешевизна
и возможность использования для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

К недостаткам приборов электромагнитной системы можно отнести невысокий класс точности измерений, который обычно не выше 1,0 из-за влияния гистерезиса; относительно большое собственное потребление мощности (в катушках амперметров — до 1 Вт, а в вольтметрах с потреблением мощности в добавочных сопротивлениях – до 6 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 свыше 8000 Гц).

Для повышения класса точности приборов электромагнитной системы [на класс точности особенно влияет остаточный магнетизм
(гистерезис) в сердечнике] сердечники изготовляют из ферромагнитных материалов с незначительной коэрцитивной силой, например пермаллоя. В этом случае можно достичь класса точности до 0,2 для приборов как постоянного, так и переменного тока.

Так как собственное магнитное поле приборов рассматриваемой системы невелико, их необходимо защищать от влияния внешних магнит-ных полей. Это осуществляют либо за счет применения ферромагнитных
экранов, когда измерительный механизм со всех сторон закрывают фер-ромагнитным экраном, либо выполняют измерительные механизмы аста-тическими. Астатический измерительный механизм имеет удвоенное число катушек по сравнению с обычным измерительным прибором электромагнитной системы, т. е. измерительный прибор состоит из
двух катушек и двух сердечников, закрепленных на одной общей оси и создающих общий (результирующий) момент М_вррез = М_вр1 + М_вр2, где М_вр1 и М_вр2 — соответственно вращающие моменты первого и второго сердечников.

В астатических электромагнитных приборах катушки расположены таким образом, что их собственные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ имеют противоположные направления. В этом случае магнитный поток внешнего поля Ф_вн, с одной стороны, будет усиливать магнитный поток
одной из катушек, с направлением магнитного потока которой он совпадает, и одновременно увеличивать вращающий момент сердечника этой катушки, с другой стороны, он будет ослаблять магнитный поток
другой катушки, направление магнитного потока которой противо-положно направлению внешнего поля, и уменьшать вращающий момент сердечника второй катушки. В результате этого в астатических электромагнитных приборах общий вращающий момент становится
независимым от внешнего магнитного поля. Он зависит только от измеряемого тока.

В заключение необходимо отметить, что приборы электромагнит-ной системы из-за дешевизны, простоты устройства и большой перегру-зочной способности широко используются в промышленных электро-технических устройствах низкой частоты в виде амперметров и вольт-метров.