Электродинамические приборы

Основой электродинамических приборов является измерительный механизм, в котором вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схематическое устройство электродинамического прибора

Неподвижная катушка 2 состоит из двух секций, разнесенных в пространстве. Это позволяет менять конфигурацию магнитного поля и следовательно характер шкалы прибора. Между секциями размещается ось с подвижной катушкой 1. К обеим катушкам подводятся токи I_x1 и I_x2, которые необходимо измерить.

Электромагнитная энергия системы, состоящей из двух катушек, определяется по известным формулам

W = 0,5 L₁Ix₁ + 0,5L₂Ix₂ + M₁₂ Ix₁ Ix₂ (3.21)

где L₁ , L₂ – индуктивности катушек 1 и 2. M₁₂ – взаимная индуктивность между ними. Т. к. L₁ и L₂ не зависят от угла поворота , то из формулы 3.21 получаем

Мв = = Ix₁ Ix₂ (3.22)

Из выражения 3.22 видно, что одновременное изменение направления токов Ix₁ и Ix₂ не приводит к изменению направления момента Мв. Поэтому электродинамические приборы могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока. В случае переменного тока вращающий момент определяется по формуле

Мв = = Iск₁ Iск₂ cosφ

Где Iск₁ Iск₂ - среднеквадратические значения измеряемых токов Ix₁ и Ix₂

Из последнего выражения получаем выражение для уравнения шкалы электродинамического прибора

α = Iск₁ Iск₂ cosφ (3.23)

Из выражения 3.23 вытекает, что электродинамические приборы обладают следующими свойствами:

фазочувствительностью, позволяющей на их основе проектировать не только амперметры и вольтметры, но и ваттметры и фазометры;

возможностью сформировать линейную шкалу за счет подбора размера и взаимного расположения катушек.

К достоинствам таких приборов относится также и то, что они являются самыми точными при измерении переменных токов и напряжений на частотах до 20 кГц.

Недостатками электродинамических приборов являются:

небольшая чувствительность, что объясняется слабым собственным электромагнитным полем;

зависимость показаний от внешних электромагнитных полей, что приводит к необходимости экранирования, астазирования и применения ферродинамических измерительных механизмов.

Экранирование – это помещение измерительных механизмов в экранирующие оболочки из специальной электротехнической стали.

Астазирование – это использование в одном измерительном приборе двух измерительных механизмов с общей осью, которые включаются таким образом, что моменты, возникающие за счет внешних магнитных полей, компенсируют друг друга. Моменты же, создаваемые токами в катушках, складываются.

Ферродинамические измерительные механизмы отличаются от обычных тем, что неподвижная катушка имеет сердечник из ферромагнитного материала. Это позволяет повысить чувствительность прибора и уменьшить влияние внешних магнитных полей. Однако это приводит к появлению нелинейных эффектов и снижению точности измерений.

Электродинамические амперметры

Электродинамические амперметры применяются при прямых измерениях постоянного и переменного тока. Обычно они имеют два диапазона измерения: до 0,5А и от 0,5 до 10 А. Переключение диапазонов осуществляется с помощью переключения способа соединения катушек.

На диапазоне измерения тока до 0,5 А неподвижная и подвижная катушки измерительного механизма соединяются последовательно (рис. 3.6, а) и в формуле 3.23 токи Iск₁ = Iск₂, а cosφ = 1. Тогда уравнение шкалы электродинамического прибора будет

α = I²ск = S_I I²ск (3.24)

Таким образом, шкала амперметра является квадратичной, но с помощью подбора закона изменения вращающего момента линеаризуется. Т.к. cosφ = 1, то для измерения постоянного и переменного тока может использоваться одна шкала.

Рис.3.6. Схемы соединения катушек электродинамического амперметра

При измерении тока во втором диапазоне подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно (рис. 3.7, б). В этом случае cosφ = 1, как и в первом случае, а токи Iск₁ = k₁Iск, Iск₂ = k₂Iск, где k₁ и k₂ – коэффициенты пропорциональности. С учетом этого, уравнение шкалы принимает вид

α = I²ск = k₁ k₂S_I I²ск (3.25)

т.е. характер шкалы амперметра сохраняется, а верхний предел измерения увеличивается.

Дальнейшее расширение пределов измерения электродинамических амперметров на постоянном токе осуществляется с помощью шунтов, а на переменном токе – с помощью трансформаторов тока. Шунтовые амперметры могут измерять токи до 200 А, а с помощью трансформаторов тока удается расширить пределы измерений до 6 кА. Схема расширения пределов измерения на переменном токе с помощью трансформатора тока изображена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема расширения пределов измерения переменного тока

Работает такая схема следующим образом. Первичная обмотка трансформатора с меньшим числом витков включается последовательно в цепь измеряемого тока I_X, а к зажимам вторичной обмотки подключается амперметр. Искомое значение тока определяется умножением показаний амперметра на коэффициент трансформации, регламентируемый ГОСТом.