2.6. Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов электромагнитной системы ос­нован на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в непо­движной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций электромагнитного изме­рительного механизма представлена на рис. 2.23, где 1 — катушка; 2 — сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 — спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 — воздушный успокоитель. (Встречаются также другие конструктивные модификации измеритель­ных механизмов этой системы.) Под действием магнитного поля сер­дечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Уравнение преобразования. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает ток /,

Щ, = LI²12, (2.60)

где L — индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

(2.61)

Рис. 2.23

Согласно (2.2) вращающий момент М_вр = dWjda = (P/2)(dL/da).

При установившемся отклонении подвижной части механизма М_вр = М_п, где -Л^др ⁼ Wa, т.е. уравнение преобразования прибора имеет вид

а = (1/2W) (ЭХ/Эа)/² .

(2.62)

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:

1 ЪЬ 1 Т

а = J г (Г) dt.

(2.63)

2W Эй Т о

(2.64)

(2.65)

По определению действующее значение тока I =

т.е.

«= (l/2W)(dL/da)P.

Из (2.65) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не за­висит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы оди­наково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного

тока. Линеаризация шкалы произво­дится при помощи выбора специаль­ной формы сердечника.

Амперметры. Промышленностью выпускаются амперметры с номиналь­ным током от долей ампера до 200 А. Наиболее распространены амперметры на 5 А. Последнее обстоятельство свя­зано с тем, что на практике для расши­рения пределов измерения использу­ются трансформаторы тока, причем номинальное значение тока во вто­ричной обмотке выбирается, как пра­вило, равным 5 А. На рис. 2.24 пока­зано включение амперметра во вто­ричную обмотку трансформатора тока. Здесь w, — первичная обмот­ка; и>₂ — вторичная; 1_г и /₂ — соответствующие токи.

(2.66)

Вольтметры. Если учесть, что ток через катушку прибора / = U/R_n, где U - приложенное напряжение, ай_и - сопротивление катушки, то из (2.65) следует

а = (1/2W) (dL/da) (1/R*)IP.

Таким образом, шкала измерительного механизма может быть про- градуирована и в единицах напряжения. Для расширения пределов из­мерения вольтметров используются добавочные сопротивления, поэтому приборы можно выполнять многопредельными. Промышленностью выпускаются электромагнитные вольтметры с номинальным напряже­нием от долей вольта до сотен волы.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, надежность, способность вы­держивать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних маг­нитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в ка­честве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промыш­ленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5 В некоторых особых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц, Используются они и в лабораторной практике как переносные приборы классов точности 0,5 и 1,0.

Рис. 2.24

Резонансный (вибрационный) частотомер. Электромагнитные меха­низмы нашли применение также для изготовления частотомеров, пред- 58

В)

Рис. 2.25

назначенных для контроля частот 50 и 400 Гц. Такие частотомеры (рис. 2.25) состоят из электромагнита 1 с сердечником 2, на обмотку ко­торого подается напряжение с измеряемой частотой. В поле электро­магнита находится якорь Д, скрепленный с планкой 4, на которой укреп­лен ряд стальных пластинок 6 с различными собственными частотами. Пружинные опоры 5 позволяют якорю и пластинкам 6 совершать вынуж­денные колебания с удвоенной частотой напряжения. При этом наиболь­шую амплитуду будет иметь та пластинка, у которой частота собствен­ных колебаний совпадает с частотой второй гармоники вынужденных колебаний.

Погрешность резонансных частотомеров составляет около 1%. Она определяется размером пластинок и их числом. К достоинствам рассмат­риваемых приборов относятся их простота и удобство в эксплуатации. Недостатки — узкость пределов измерения (например, 45—55 Гц, 350—450 Гц) и невозможность использования на подвижных объектах из-за появления паразитных механических вибраций.

Измерительные трансформаторы тока. Как указывалось выше, дня расширения пределов измерения электромагнитных амперметров при­меняются измерительные трансформаторы тока, которые преобразуют большие значения токов в малые /₂. Коэффициент трансформации Kj =/i//2 в основном определяется отношением числа витков во вторич­ной обмотке w₂ к их числу в первичной обмотке u»i, т.е. Kj ~ w₂/wi ■ Схема включения амперметра с трансформатором тока ТА представле­на на рис. 2.26. Чтобы получить значение измеряемого тока /_ь следует измеренное амперметром значение тока /₂ умножить на коэффициент трансформации:

/, =KjI₂.

На практике вместо действительного коэффициента трансформа­ции Kj приходится использовать номинальный коэффициент трансфор­мации К_1н, что приводит к погрешности определения тока /j. Классы точности трансформаторов тока переносных лабораторных: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; стационарных, устанавливаемых на подстанциях: 0,2; 0,5; 1,0; 3; 5; 10. Номинальные значения сопротивления нагрузки в

Рис. 2.26

цепи вторичной обмотки лежат в пределах от 0,2 до 2,0 Ом. Увеличение сопротивления нагрузки приводит к увеличению погрешностей. Раз­мыкание вторичной обмотки недопустимо, так как оно вызывает появ­ление на разомкнутых концах высокого напряжения, опасного для лю­дей и способного привести к нарушению изоляции.

Измерительные трансформаторы напряжения. Для расширения преде­лов измерения вольтметров электромагнитной, электродинамической и электростатической систем применяются измерительные трансформа­торы напряжения, которые преобразуют высокое напряжение JJ_X, подводимое к первичной обмотке, в низкое U₂, снимаемое со вторич­ной. Коэффициент трансформации К^ = t/i/C/₂ приближенно равен от­ношению числа витков первичной обмотки wi к числу витков во вто­ричной, т.е. Кц ~ wi/w>2- Схема включения вольтметра с трансформа­тором напряжения TV представлена на рис. 2.27. Значение измеряемого напряжения Ui определяется из формулы U^ = KjjU₂ ■ Использование вместо действительного коэффициента трансформации Кц приводит к погрешностям определения напряжения Ui. Классы точности лабора­торных трансформаторов напряжения: 0,05; 0,1; 0,2; стационарных: 0,2; 0,5; 1,0; 3.