Электродинамические и ферродинамические приборы

Общие сведения. Электродинамические (ферродинамические) приборы состоят из электродинамического (ферродинамического) измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями..Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока.

Измерительный механизм. Вращающий момент в электроди­намических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей непо­движных и подвижной катушек с токами.

Электродинамический измерительный механизм (рис.) имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки1, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку 2. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки, создающие противодействующий момент.

Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При протекании токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть.

Вращающий момент имеет постоянную и гармони­ческую составляющие. Отклонение подвижной части обычно при­меняемого электродинамического измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высо­кой частоты определяется постоянной составляющей момента.

В электродинамических логометрических механизмах по­движная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под определенным углом подвижных катушек, находящихся в по­ле неподвижных катушек. Токи к подвижным катушкам подводят с помощью безмоментных токоподводов. Анализ работы механиз­ма показывает, что угол отклонения подвижной части определя­ется отношением токов через подвижные катушки и зависит от фазовых сдвигов этих токов относительно тока через неподвиж­ную катушку.

На работу электродинамических измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля, так как собственное поле механизма невелико. Для защиты от внешних магнитных полей применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные меха­низмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее.

Особенности электродинамических измерительных механиз­мов придают электродинамическим приборам определенные по­ложительные свойства. Электродинамические измерительные ме­ханизмы работают как на постоянном, так и на переменном токе (примерно до 10 кГц.) с высокой точностью и обладают высокой стабильностью своих свойств.

Однако электродинамические измерительные механизмы име­ют низкую чувствительность по сравнению с магнитоэлектриче­скими механизмами. Поэтому приборы с электродинамическими механизмами обладают большим собственным потреблением мощности. Электродинамические измерительные механизмы име­ют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги.

Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического механизма тем, что его неподвижные ка­тушки имеют магнитопровод из магнитомягкого листового мате­риала, позволяющий существенно увеличивать магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Однако использование ферромагнитного сердечника приводит к появлению погрешно­стей, вызванных его влиянием, например погрешностей от нелинеиности кривой намагничивания, от гистерезиса при работе на постоянном токе и т. д. Ферродинамические измерительные меха­низмы мало подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют достаточно сильные собственные поля.

Амперметры и вольтметры. В электродинамических и ферро-динамических амперметрах для токов до 0,5 А неподвижные и подвижная катушки измерительного механизма соединяют по­следовательно. В этом случае токи в катушках равны.Для получения линейной зависимости, а следова­тельно равномерной шкалы, у электродинамических амперметров так располагают неподвижные катушки, чтобы зависимость приближалась к линейной. Практически у электродинамических амперметров шкала равномерна в пределах 25—100 % ее длины.

При последовательном включении катушек температурная и частотная (до 2000 Гц) погрешности электродинамических амперметров незначительны.

В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижную и неподвиж­ные катушки включают параллельно. В этом случае осуществля­ют компенсацию температурной и частотной погрешностей, воз­никающих из-за перераспределения токов в катушках при изме­нении температуры и частоты. Компенсацию температурной погрешности осуществляют подбором сопротивлений добавочных резисторов из манганина и меди, включаемых в каждую из па­раллельных ветвей так, чтобы температурные коэффициенты со­противления этих ветвей были одинаковыми. Компенсацию час­тотной погрешности выполняют включением добавочных катушек индуктивности или конденсаторов в соответствующие ветви схе­мы так, чтобы были равными постоянные времени этих ветвей.

Электродинамические амперметры чаще всего выпускают на два диапазона измерений. Изменение пределов при этом произво­дится путем включения неподвижных катушек последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения использу­ют измерительные трансформаторы тока.

Электродинамический вольтметр состоит из электродинами­ческого измерительного механизма и добавочного резистора ста­бильного сопротивления, причем все катушки механизма и доба­вочный резистор включены последовательно.

В многопредельных вольтметрах последовательно с измери­тельным механизмом включается секционированный добавочный резистор. Поэтому многопредельные вольтметры снабжают пе­реключателем пределов или несколькими входными зажимами. Для увеличения верхнего предела измерений вольтметра приме­няют измерительные трансформаторы напряжения.

В электродинамических вольтметрах при изменении темпера­туры возникает температурная погрешность от изменения сопро­тивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пре­делом измерений температурная погрешность может достичь не­допустимой величины. Поэтому в таких вольтметрах уменьшают сопротивление катушек, уменьшая число витков, что приводит к увеличению тока, потребляемого прибором. Частотная погреш­ность, вызванная изменением Z прибора, компенсируется путем шунтирования части добавочного резистора конденсатором.

Основная область применения электродинамических ампер­метров и вольтметров — точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45—50 Гц до тысяч герц. Их применяют также в качестве образцовых при поверке и гра­дуировке других приборов.

Промышленность выпускает электродинамические миллиам­перметры и амперметры с верхними пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с верхними пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц. Классы точности амперметров и вольтметров 0,1; 0,2; 0,5.

Область применения ферродинамических амперметров и вольтметров — измерения переменных токов и напряжений в узком диапазоне частот при тяжелых условиях эксплуатации.

Ваттметры. Электродинамический (ферродинамический) измерительный механизм лежит в основе электродинамического (ферродинамического) ваттметра.

В этом случае (см. рис., а) последовательно соединенные неподвижные катушки 1 включают последовательно с объектом Z, потребляемая мощность которого измеряется. Подвижная ка­тушка 2 с добавочным резистором включается параллельно объекту. Цепь неподвижных катушек называют последователь­ной цепью, а цепь подвижной катушки — параллельной цепью.

Потребляемая мощность последовательной и параллельной цепями ваттметра приводит к погрешности, зависящей от способа включения ваттметра. При измерении мощности, потребляемой объектом, возможны две схемы включения ваттметра, отличаю­щиеся способом включения параллельной цепи (рис., а и б). По­грешности заметны лишь при измерениях мощности в маломощ­ных цепях. Схему включения, показанную на рис. а, целесо­образно использовать при измерении мощности объекта с высокоомнои нагрузкой, а схему, показанную на рис. б,— при измерении мощности объекта с низкоомной нагрузкой.

Изменение порядка включения зажимов одной из цепей ваттметра (поворот соответствующего вектора тока) ведет к из­менению направлеия отклонения подвижной части измеритель­ного механизма. Поэтому для правильного включения ваттметра. один из зажимов последовательной и параллельной цепи обозна­чается звездочкой («генераторный зажим»).

Электродинамические ваттметры имеют обычно несколько верхних пределов измерения по току и напряжению: чаще всего два по току, например 5 и 10 А, и три по напряжению — 30, 150 и 300 В. Для измерения мощности при больших напряжениях и токах применяют измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Частотомеры. В электродинамических частотомерах применя­ют логометрический измерительный механизм. Схема включения частотомера представлена на рис..

Параметры цепи подвижной катушки подбирают так, что­бы фазовый сдвиг между током и напряжением измеряемой частоты был равен 90°.

Подбором параметров цепи неподвижной катушки, под­вижной катушки и элементов L и C добиваются резонан­са напряжения в этой цепи при частоте, равной среднему значению диапазона измерений частотомера. При этом угол отклонения подвижной части логометрического измеритель­ного механизма оказывается функцией отношения реактивных сопротивлений в цепях подвижных катушекСледовательно, шкала прибора может быть градуиро­вана в единицах частоты.

Электродинамические частотомеры выпускают для измерений частоты в узком диапазоне изменений (45—55, 450—550 Гц и т. д.) классов точности 1; 1,5.

Элек­тродинамический фазометр с логометрическим измерительным механизмом представ­лен на рис..

Если фазовый сдвиг между токами равен углу между подвижными катушками логометрического механизма, то угол отклонения подвижной части прибора равен фазовому сдви­гу между током и напряжением в нагрузке. Следовательно, шкала фазометра может быть градуирована в значениях угла j или cosj.

Электродинамические фазометры выпускают в виде перенос­ных приборов с диапазоном измерений угла j, равным 0 — 90° или О — 360°, и cosj, равным 0 —1 (для индуктивной или емкостной нагрузки) классов точности 0,2; 0,5. Предназначаются они, в ос­новном, для работы в цепях промышленной частоты.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения. Электромагнитные приборы состоят из элек­тромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройст­вом и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряже­нием. Из-за относительно низкой стоимости и удовлетворитель­ных характеристик электромагнитные приборы составляют боль­шую часть всего парка щитовых приборов.

Измерительный механизм. Вращающий момент в этих меха­низмах возникает в результате взаимодействия одного или не­скольких ферромагнитных сердечников подвижной части и маг­нитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В на­стоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой ка­тушкой и с замкнутым магнитопроводом. На рис. показан механизм с плоской катушкой.

На рисунке: / — ось; 2 — стрелка; 3 — катушка, по обмотке которой про­текает ток; 4 — эксцентрически укрепленный на оси ферромагнит­ный (пермаллоевый) сердечник;

5 — пружины для создания проти­водействующего момента; 6 — воз­душный успокоитель.

При протекании тока через катушку сердечник намагничива­ется и втягивается в зазор ка­тушки.

Вращающий момент

где w_m — энергия электромагнитного поля катушки с сердечни­ком; L — индуктивность катушки, зависящая от положения сер­дечника.

Вращающий момент имеет постоянную и гармони­ческую составляющие. Отклонение подвижной части обычно при­меняемого электромагнитного измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высо­кой частоты определяется постоянной составляющей момента, которая может быть записана в таком виде:

^.

где / — действующий ток.

При искаженной форме тока

где / — квадрат искаженного по форме действующего тока; /о, /I, /2, •••— постоянная и гармонические составляющие тока.

Если противодействующий момент создается упругими эле­ментами, то угол поворота подвижной части

Из выражения следует, что зависимость угла отклоне­ния подвижной части от тока нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, имеющем действующее значение, равное значению посто­янного тока. Линейную зависимость угла отклонения от тока получают для значительной части рабочего диапазона отклоне­ния а, изготовляя сердечник специальной формы.

В электромагнитных логометрических механизмах имеются две катушки и два сердечника. Сердечники укреплены на одной оси. Ток, протекающий через одну катушку, создает момент М_вр, а ток, протекающий через вторую катушку,— момент М _пр, на­правленный навстречу М_вр. При пропускании токов подвижная часть поворачивается до тех пор, пока момент М _пр не станет рав­ным М_вр.

Электромагнитные измерительные механизмы просты по кон­струкции и как следствие дешевы и надежны в работе. Они спо­собны выдержать большие перегрузки, что объясняется отсут­ствием токоподводов к подвижной части. Электромагнитные из­мерительные механизмы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного тока (примерло до 10 кГц).

Малая точность и низкая чувствительность этих механизмов отрицательно сказывается на точности и чувствительности элек­тромагнитных приборов. На работу электромагнитных измери­тельных механизмов сильное влияние оказывают внешние маг­нитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы.

Амперметры и вольтметры. В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока.

Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном изме­рении, переносные могут иметь несколько диапазонов измерении. Выбор диапазонов измерении производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или па­раллельно. При использовании амперметров в цепях переменного тока для расширения диапазона измерений используют измери­тельные трансформаторы тока.

Шкала электромагнитного амперметра обычно равномерна (в пределах 25—100 %), что достигается подбором формы сер­дечника.

В электромагнитных амперметрах при изменении температу­ры возникает температурная погрешность, обусловленная изме­нением упругости пружинок, создающих противодействующий момент. Эта погрешность существенна для амперметров классов точности 0,2; 0,1.

При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердеч­ника, проявляющаяся в неодинаковых показаниях при увеличе­нии и уменьшении измеряемого тока. При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погреш­ность вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, пронизыва­емых магнитным потоком катушки.

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно доба­вочного резистора со стабильным сопротивлением, предназна­ченного для обеспечения необходимого диапазона измерений.

Изменение верхних пределов измерений осуществляется пу­тем подключения различных добавочных резисторов, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Угол отклонения подвижной части электромагнитного вольт­метра,

где Z — полное сопротивление цепи вольтметра, т. е. сопротивле­ний катушки и добавочного резистора.

Шкала электромагнитного вольтметра в пределах 25— 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных вольтметрах при изменении температу­ры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом из­мерения температурная погрешность может достигать больших значений.

Вольтметры имеют погрешность от гистерезиса намагничива­ния сердечника при использовании в цепях постоянного тока.

Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров вы­ше, чем у электромагнитных амперметров, что объясняется зави­симостью сопротивлении катушки и добавочного резистора от частоты.

Основное назначение электромагнитных амперметров и вольт­метров — измерения в цепях переменного тока промышленной частоты. Наибольшее распространение получили щитовые прибо­ры классов точности 1,0; 1,5 и 2,5. Переносные приборы имеют более широкий частотный диапазон, чем щитовые и класс точно­сти 0,5.

Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц; щитовые однопредельные амперметры клас­сов точности 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А со встроенными транс­форматорами тока и до 15 кА с наружными трансформаторами тока; переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В на частоты 45—100 Гц и классов точности 1 и 2,5 на частоты до 10 кГц; щитовые вольт­метры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами изме­рений от 0,5 до 600 В непосредственного включения и до 450 кВ с трансформаторами напряжения на частоты в диапазоне от 45 до 1000 Гц.

Частотомеры. Схема электромагнитного частотомера на осно­ве логометрического измерительного механизма представлена на рис.

При изменении частоты токи изменяются неодинаково, так как характер сопротивлений цепей этих токов различен. От­ношение этих токов, а следовательно, и показания прибора зави­сят от частоты. Частотомеры этого типа выпускают на узкий диапазон измеряемых частот, например 45—55, 450—550 Гц; классы точности 1,5; 2,5.