Аналоговые измерительные устройства
Электродинамические приборы применяют в качестве: 1) ваттметров постоянного и переменного токов (ваттметры переменного тока делятся на однофазные, трехфазные и малокосинусные); 2) амперметров и вольтметров переменного тока и реже — постоянного; 3) фазометров (однофазных и трехфазных); 4) частотомеров; 5) фарадометров.
Электродинамические приборы характеризуются высоким классом точности (электродинамические амперметры, миллиамперметры, вольтметры и однофазные ваттметры класса точности 0,05; фазометры — класса 0,1; частотомеры и различного типа ваттметры — класса 0,5). Как правило, точность сохраняется при переходе с постоянного тока на переменный, что позволяет выполнять градуировку на постоянном токе.
Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические ИМ не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности. Показания электродинамических приборов отличаются также высокой стабильностью во времени. Высокая точность этой группы приборов позволяет использовать их в качестве образцовых при градуировке и проверке приборов других систем на переменном токе. Частотный диапазон применения электродинамических приборов достигает (в расширенной области частот) для амперметров 10 кГц, для вольтметров и ваттметров — 5 кГц. Ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры — равномерную шкалу, начиная приблизительно с 15—20% ее номинального значения. По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволило улучшить этот параметр. Так, имеются миллиамперметры с током полного отклонения IH = 1 мА (чаще всего IH для этих приборов составляет 3 — 5 мА, а для приборов с установкой подвижной части на кернах IH = 25 — 30 мА).
В основном электродинамические приборы применяют в качестве самых разнообразных ваттметров, а также высокоточных амперметров и вольтметров. Выпускают и комбинированные электродинамические приборы — ампервольтваттметры.
Назначение электродинамических приборов
Приборы электродинамической системы
Принцип действия
Вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных
полей неподвижной и подвижной катушек с током.
В основе их работы – явление динамического взаимодействия двух
проводников, обтекаемых электрическим током. При одинаковом
направлении тока в проводниках, они взаимно притягиваются, а при
противоположном направлении токов — отталкиваются.
Устройство измерительного механизма электродинамического типа
1 – две секции неподвижной катушки
Неподвижная катушка состоит из двух секций – для обеспечения более
равномерного МП. На оси кроме подвижной катушки крепятся указательная
стрелка и две спиральные пружинки для подвода тока к катушке.
Назначение электродинамических приборов
1.измерение переменных и постоянных токов и
2.измерение мощности (ваттметры)
3.измерение частоты и фазового сдвига между током и напряжением
Диапазон измерений: токи – 0,1…10 А, напряжения – до 300 В, с
классами точности 0,1; 0,2; 0,5.
Мост переменного тока:
Сходимость моста – достижение состояния равновесия определенным (конечным) числом поочередных переходов от регулировки одного параметра к другому.
Мосты работающие в уравновешенном режиме, или в неуравновешенном.
Электродинамические приборы
Устройство и принцип действия электродинамического ИМ
Принцип действия электродинамического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с током.
На рис. 4.9 схематически показано устройство электродинамического измерительного механизма, который состоит из подвижной 1 и неподвижной 2 катушек (рамок), стрелки 3, жестко прикрепленной к подвижной катушке, и шкалы 4, вдоль которой перемещается указатель стрелки.
Риc. 4.10. Устройство электродинамического измерительного механизма
Применяют круглые или прямоугольные катушки. Обычно неподвижная катушка состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I1, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током, проходящим через катушки возбуждения 2. Электромагнитная энергия We двух контуров с токами
где L1, L2 — индуктивность подвижной и неподвижной катушек; M1,2 — взаимная индуктивность катушек 1 и 2.
Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 1
При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле:
При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока угол отклонения:
где I1 и I2 — действующие значения токов; y — угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2 .
В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух жестко закрепленных между собой под определенным углом g катушек. Угол отклонения a зависит от отношения токов I1/I2.
Области применения, достоинства и недостатки
Приборы электродинамической системы могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Шкала приборов неравномерная. Характер шкалы зависит от формы катушек и их взаимного расположения. Изменяя множитель dM1,2/da, можно улучшить шкалу так, что в начале шкалы будет иметь место неравномерность, а далее шкала будет практически равномерной. Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры — равномерную шкалу, начиная с 15-20 % ее номинального значения.
Электродинамические приборы применяют в качестве: ваттметров постоянного тока и однофазных, трехфазных, малокосинусных ваттметров переменного тока, амперметров и вольтметров переменного и постоянного токов. Электродинамические логометрические измерительные механизмы применяются в фазометрах, частотомерах, фарадомерах. Выпускаются комбинированные приборы — ампервольтваттметры.
Электродинамические амперметры выполняются по двум схемам, показанным на рис. 4.11 а и 4.11 б.
Рис. 4.11. Схемы включения катушек электродинамического механизма
Последовательное соединение катушек (рис. 4.11 а) используется в амперметрах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). Так как y = 0 и I1 = I2 = I, уравнение преобразования амперметра сводится к виду
В параллельной схеме (рис. 4.11 б), которая используется при больших токах (до 10 А), подбором индуктивностей L1, L2 и резистора R в цепях катушек задаются токи I1 = k1I; I2 = k2I и разность фаз y =0. Уравнение преобразования амперметра будет иметь вид:
Для выполнения электродинамического вольтметра последовательно с катушками, соединенными по схеме (рис. 4.11 а), включается добавочный резистор RД, как показано на рис. 4.11 в. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид:
где R = RД + RV — общее сопротивление цепи.
Наиболее важной группой электродинамических приборов являются ваттметры. На рис. 4.11 г представлена простейшая схема однопредельного электродинамического ваттметра.
Учитывая, что I1 = IН и I2 = U/(R2 + RД), уравнение преобразования электродинамического ваттметра постоянного тока может быть записано в виде
На переменном токе уравнение преобразования:
где j — угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током IH в нагрузке RН; R2 – сопротивление параллельной катушки; Ра — активная мощность нагрузки.
Из выражений (4.18), (4.19) видно, что шкала ваттметров равномерная.
Основными достоинствами электродинамических приборов являются:
— возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного токов;
— возможность градуировки на постоянном токе;
— высокая стабильность показаний во времени;
— высокий класс точности (например, выпускаются электродинамические амперметры и миллиамперметры, вольтметры, однофазные ваттметры класса точности 0,05, частотомеры — класса 0,5).
Высокая точность приборов обусловлена отсутствием в них, в отличие от других электромеханических приборов, ферромагнитных элементов.
В качестве недостатков таких приборов можно отметить следующие:
— влияние внешних магнитных полей и механических воздействий;
— большую мощность потребления.
По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволяют уменьшить собственное потребление мощности (имеются миллиамперметры с током полного отклонения 1 мА).
Погрешности электродинамических приборов
Погрешностями электродинамических приборов являются: температурная и частотная погрешности; погрешность из-за влияния внешних магнитных полей и др.
Температурная погрешность gt возникает вследствие изменения сопротивления обмоток рамок (катушек) и изменения упругих свойств растяжек или пружинок при изменении температуры. Для компенсации температурной погрешности применяют специальные схемы, например, последовательно-параллельная схема, подобная схеме, приведенной на рис 4.4, позволяет снизить температурную погрешность многопредельного электродинамического ваттметра до gt £ 0,1 %
Частотная погрешность обусловлена зависимостью полного сопротивления катушек от частоты, изменением фазовых соотношений электродинамического прибора, взаимной индуктивностью катушек. Для уменьшения частотной погрешности в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки может быть включен конденсатор С @ L /R1 (L и R1 — индуктивность и сопротивление подвижной катушки).
Погрешность от влияния внешних магнитных полей уменьшается с помощью магнитных экранов.
В каких приборах находит основное применение электродинамический измерительный механизм
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и могущей поворачиваться. На рис. а) показано устройство электродинамического прибора.
Катушка 1 (здесь — состоящая из двух половин) неподвижно закреплена. К подвижной катушке 2, укрепленной на оси прибора 3, ток подводится через спиральные пружины 4, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. При пропускании тока по виткам обеих катушек они создадут магнитные поля, которые, взаимодействуя между собой, будут стремиться повернуть катушку 2 так, чтобы ее магнитное поле и поле катушки 1 совпадали по направлению. Кроме круглых катушек, встречаются конструкции приборов с прямоугольными катушками. Магнитное поле каждой катушки зависит от тока, поэтому сила взаимодействия обеих катушек пропорциональна квадрату тока. Следовательно, шкала прибора неравномерна. Успокоение приборов этой системы воздушное, так как применение электромагнитного тормоза вызвало бы искажение показаний прибора. Это объясняется тем, что собственные магнитные поля катушек очень малы и сильное поле постоянного магнита электромагнитного тормоза оказывало бы влияние на работу прибора.
На рис. в) показано устройство электродинамического прибора в упрощенном виде, где хорошо видно взаимное расположение катушек.
На рис. г) показано устройство электродинамического прибора неподвижная катушка, которого состоит из двух полукатушек, внутри которых расположена подвижная катушка аналогично рис. б).
§ 98. Электродинамические и ферродинамические приборы
Устройство и применение электродинамического прибора. Работа электродинамического прибора основана на взаимодействии двух катушек, обтекаемых электрическим током. Электродинамический измерительный механизм (рис. 326, а) состоит из двух катушек: неподвижной 2 и расположенной внутри нее подвижной 1. Подвижная катушка 1 связана с осью прибора со стрелкой и с двумя спиральными пружинами 4 (или растяжками), которые служат для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной катушке 1. В приборе применяется демпфер 3, аналогичный ранее рассмотренному.
При прохождении по катушкам токов I1 и I2 возникают электродинамические силы F (рис. 326,б), которые стремятся повернуть подвижную катушку относительно неподвижной на некоторый угол. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку,
где с1 — постоянная величина, зависящая от параметров катушек (числа витков и размеров), их формы и взаимного расположения.
Повороту подвижной катушки противодействует момент Мпр = = с2?. В момент равновесия М = Мпр, откуда
где к — постоянная величина.
При переменном токе мгновенное значение вращающего момента М пропорционально произведению мгновенных значений токов i1 и i2, проходящих по катушкам. Средний же за период вращающий момент
где I1 и I2 — действующие значения токов i1 и i2; ? — угол сдвига фаз между ними.
Поэтому при переменном токе
Значение вращающего момента М, созданного катушками электродинамического прибора, а следовательно, и угол поворота стрелки ? пропорциональны произведению проходящих по катушкам токов I1 и I2. Поэтому в зависимости от схемы включения катушек прибор может быть использован в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра.
При включении обеих катушек прибора последовательно в цепь измеряемого тока (рис. 327,а) прибор будет работать в качестве амперметра; при подключении катушек к двум точкам (рис. 327,б), между которыми действует подлежащее измерению напряжение,
Рис. 326. Устройство (а) и принципиальная схема (б) электродинамического измерительного механизма