ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения.

Электродинамические (ферродинамиче-ские) приборы состоят из электродинамического (ферродинами-ческого) 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. 5-15) имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки 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. Электромагнитная энергия двух катушек с токами

где — индуктивности неподвижных и подвижной катушек; — взаимная индуктивность неподвижных и подвижной катушек; — токи в неподвижных и подвижной катушках. Так как индуктивности не зависят от угла поворота подвижной части, то мгновенный вращающий момент

Рис. 5-15. Устройство электродинамического измерительного механизма

При постоянных токах в катушках вращающий момент

Если токи то мгновенный вращающий момент

Как видно, 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

где — действующие значения токов соответственно.

При несинусоидальных токах, содержащих в общем случае постоянные составляющие, средний вращающий момент определяется суммой слагаемых, содержащих произведения действующих токов одной частоты, т. е.

где — постоянные составляющие токов в катушках; гармонические составляющие действующих токов через неподвижные катушки; гармонические составляющие действующих токов через подвижную катушку; углы фазовых сдвигов между соответствующими гармоническими составляющими токов в подвижной и неподвижных катушках.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то при постоянных токах угол отклонения подвижной части

где — удельный противодействующий момент.

При переменных токах

где — угол фазового сдвига между токами в неподвижных и подвижных катушках.

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 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

нелинейности 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, т. е. и угол отклонения

Для получения линейной зависимости а следовательно равномерной шкалы, у электродинамических амперметров так располагают неподвижные катушки, чтобы зависимость корректировала функцию (5-21), приближая ее к линейной. Практически у электродинамических амперметров шкала равномерна в пределах 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.

Для схемы с параллельным включением катушек и при выполнении условий температурной и частотной компенсации где — токи в неподвижных и подвижной катушках; — измеряемый ток. Угол отклонения подвижной части амперметра при этом

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.

Угол отклонения подвижной части электродинамического вольтметра

— полное сопротивление цепи вольтметра, т. е. сумма сопротивлений катушек и добавочного резистора.

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 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 многопредельные вольтметры с верхними пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 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. Выпускаются щитовые ферродинамические амперметры и вольтметры классов точности 1,5 и 2,5, в тряско-, вибро- и ударопрочном исполнении, переносные амперметры и вольтметры класса 0,5 на узкий диапазон частот (45—55 Гц; 450—550 Гц).

Рис. 5-16. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Ваттметры.

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

В этом случае (см. рис. 5-16, а) последовательно соединенные неподвижные катушки 1 включают последовательно с объектом 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.

На основании выражения (5-20) для ваттметра, работающего в цепи постоянного тока,

где — измеряемая мощность; чувствительность. У ваттметров конструктивным путем добиваются что обеспечивает равномерную шкалу.

При работе в цепях переменного тока вектор тока 1 параллельной цепи отстает от вектора напряжения на некоторый угол у вследствие индуктивности подвижной катушки (рис. 5-16, б). Поэтому

где — угол фазового сдвига между током и напряжением в нагрузке.

Учитывая, что ток в параллельной цепи ваттметра и принимая получим

Рис. 5-17. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Это выражение показывает, что отклонение подвижной части ваттметра пропорционально активной мощности при условии которое может быть выполнено, включением конденсатора С соответствующей емкости, как показано на рис. 5-16, а. Однако лишь при определенной частоте, и с изменением частоты это условие нарушается.

При ваттметр измеряет мощность с погрешностью называемой угловой погрешностью. При малом значении угла у (обычно у не превышает 40—50), т. е. при относительная угловая погрешность

При углах близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

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. 5-17, а и б). Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать сопротивление объекта чисто активным, то погрешности, обусловленные потреблением катушками ваттметра:

для схемы рис. 5-17, а

для схемы рис. 5-17, б

где — мощность, потребляемая, соответственно, последовательной и параллельной цепями ваттметра; — мощность, потребляемая нагрузкой, Следовательно, рассматриваемые погрешности заметны лишь при измерениях мощности в маломощных цепях. Схему включения, показанную на рис. 5-17, а, целесообразно использовать при измерении мощности объекта с

высокоомной нагрузкой, а схему, показанную на рис. 5-17, 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 и 300 В. Для измерения мощности при больших напряжениях и токах применяют измерительные трансформаторы напряжения и тока. Эти приборы снабжают неименованными шкалами, и для того чтобы найти значение мощности, измеренное ваттметром, необходимо число делений, указываемое стрелкой, умножить на постоянную прибора (в ваттах на деление), которая определяется по формуле где — номинальные значения напряжения и тока для тех пределов, на которые включен ваттметр; — длина шкалы в делениях.

Промышленность выпускает многопредельные электродинамические ваттметры с пределами по току от 25 мА до 70 А и по напряжению от 15 до 600 В классов точности 0,1; 0,2; 0,5. Выпускают также ферродинамические переносные и щитовые ваттметры классов точности 0,2; 0,5; 1.

Частотомеры.

В электродинамических частотомерах применяют логометрический измерительный механизм. Схема включения частотомера представлена на рис. 5-18.

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

Подбором параметров цепи неподвижной катушки , подвижной катушки и элементов 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 катушек, т. е. Так как а то Следовательно, 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.

Рис. 5-18. Схема включения электродинамического частотомера

Рис. 5-19. Схема включения электродинамического фазометра

Фазометры.

Схема включения электродинамического фазометра с логометрическим измерительным механизмом представлена на рис. 5-19.

Если а 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 или

Электродинамические фазометры выпускают в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла равным или равным (для индуктивной или емкостной нагрузки) классов точности 0,2; 0,5. Предназначаются они, в основном, для работы в цепях промышленной частоты.