§ 2.10. ОДНОФАЗНЫЙ ФАЗОМЕТР

Прибор, предназначенный для непосредственного измерения угла сдвига фаз между током и напряжением или коэффициента мощности называют фазометром. В настоящее время наибольшее распространение получили фазометры электродинамической системы.

Фазометр состоит из неподвижной катушки К. (ее часто делают в виде двух секций), соединенной последовательно с нагрузкой (коэффициент мощности которой необходимо измерить), и двух подвижных катушек помещенных внутри неподвижной (рис. 2-17, а). Подвижные катушки жестко скреплены между собой под некоторым углом, например 90°, и укреплены на общей оси, образуя подвижную систему прибора вместе со стрелкой. Обе подвижные катушки подключаются параллельно нагрузке, но одна через активное сопротивление R, а другая через большое индуктивное сопротивление Противодействующих пружин фазометр не имеет, поэтому у отключенного прибора его подвижная система вместе со стрелкой занимает любое положение.

Рис. 2-17

Чтобы вывести зависимость угла поворота подвижной системы фазометра от значения угла сдвига фаз между током и напряжением, построим его векторную диаграмму (рис. 2-17, б). Для этого произвольно расположим вектор напряжения U. Пусть ток в цепи отстает от напряжения на угол сдвига фаз магнитный поток Ф, создаваемый этим током нагрузки, совпадает с последним по фазе.

Ток в катушке совпадает по фазе с напряжением U (цепь с активным сопротивлением), а ток в катушке отстает по фазе от напряжения на угол 90°.

При включении фазометра в цепь на подвижные катушки начнут действовать силы и стремящиеся повернуть соответствующие им катушки в противоположные стороны (эти катушки соединены внутри прибора так специально). Значения этих сил можно определить, пользуясь векторной диаграммой:

Из рисунка 2-18 видно, что вращающие моменты, действующие на подвижные катушки, равны соответственно

Подставив выражения для сил из соотношения (2.15), получим:

Под действием вращающих моментов противоположного

Рис. 2-18

направления подвижная система начнет поворачиваться в сторону большего вращающего момента, пока не наступит равновесие

откуда

Если подобрать , то

откуда

т. е. угол поворота подвижной системы фазометра определяется углом сдвига фаз в цепи нагрузки между током и напряжением.

Полученный вывод имеет следующее физическое объяснение. Обратимся к схеме фазометра (см. рис. 2-17, а). Если отключить цепь катушки то фазометр превратится в ваттметр активной мощности (без противодействующего момента), так как последовательно с подвижной катушкой включено большое активное сопротивление R. Если же отключить цепь катушки то фазометр превратится в ваттметр реактивной мощности, так как последовательно с катушкой включено большое индуктивное сопротивление причем их вращающие моменты противоположны по направлению. Таким образом, фазометр представляет собой прибор, в котором объединены два ваттметра (активной и реактивной мощности), имеющие общую подвижную систему.

При включении фазометра в цепь активной нагрузки вращающий момент, действующий на катушку будет равен нулю (реактив-ная мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий на катушку будет максимальным; катушка повернется так, что ее плоскость совпадет с плоскостью неподвижной катушки (противодействующего момента нет) и стрелка установится против крайнего деления шкалы, соответствующего

При включении фазометра в цепь с индуктивностью вращающий момент, действующий на катушку равен нулю (активная мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий на катушку будет максимальным (в ней ток и напряжение совпадут по фазе), катушка повернется так, что ее плоскость совпадет с плоскостью неподвижной катушки. Но так как в этой катушке витки навиты в противоположную сторону по сравнению с катушкой то стрелка прибора повернется в противоположную сторону до другого крайнего деления шкалы, соответствующего . И наконец, если нагрузка потребляет равные активную и реактивную мощности, то подвижная система займет среднее (симметричное) положение относительно неподвижной, а стрелка

прибора займет положение оси неподвижной катушки против деления шкалы, соответствующего и т. д.

Из соотношения (2.17) следует, что если проградуировать шкалу фазометра в значениях угла то шкала такого прибора будет равномерной. Однако на практике чаще интересуются не углом а коэффициентом мощности Градуировка шкалы в значениях делает ее сильно неравномерной. Для получения более равномерной шкалы нужно катушки расположить под углом 60° (а не 90°) либо сопротивления R и подобрать так, чтобы токи не были равными. Например, если сопротивления R и выбрать так, чтобы то т. е. шкала станет более равномерной.

Из соотношения следует также, что при перемене знака (при изменении характера нагрузки) направление отклонения стрелки прибора изменится на противоположное. Значит, если нулевое деление шкалы расположить в ее середине, то по направлению отклонения стрелки можно судить и о характере нагрузки. На половинах шкал таких фазометров обычно ставят знаки «ЕМК» и «ИНД», соответствующие емкостному или индуктивному характеру нагрузок. Вместе с тем на практике встречаются приборы, у которых для увеличения длины шкалы нулевое деление ставят в начале. Такой прибор снабжается специальным переключателем для измерения емкостной или индуктивной нагрузки. Шкалы таких приборов обычно градуируют одновременно в значениях угла и в значениях