2.4. Электродинамические приборы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым про­текает ток.

Устройство электродинамического измерительного механизма показа­но на рис. 2.16. Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться по­движная катушка 2. Ток к подвижной катушке подается через пружин­ки (на рис. 2.16, не указаны), которые при повороте этой катушки созда­ют противодействующий момент. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек I и 2. Чтобы вывести уравнение преобразования, запишем выражение для электрокинетической энергии двух катушек с токами:

W= (l/2Hi/? + (l/2)i₂/| +Mhh, (2.47)

где Li и L₂ — индуктивности неподвижной и подвижной катушек; /_ь /₂ — токи в этих катушках.

Поскольку от угла поворота подвижной катушки а зависит толь­ко^- взаимная индуктивность катушки, то вращающий момент

При равновесии вращающий и противодействующий моменты урав-

(2.49)

(2.48)

М_вр = ШГде. = (ЪЖГдо)!^ .

новешены: М_вр т.е.

(дМ/да)!^ = Wa,

где W — удельный противодействующий момент пружины. Следовательно, уравнение преобразования прибора

а = (\IW)(bMlba)hI₂. (2.50)

Если по катушкам протекают переменные токи

hit) = /_lMsin(wf + и i₂ (t) =/_2Msin(otf + <p₂),

то для нахождения угла отклонения подвижной части прибора следует подставить выражения для этих токов в (2.50) и произвести усреднение по времени:

дЛ

да

1 1

а = —S -

Т W

и (t)h (t)dt =

дЛ

/i/₂cos(<A - у₂),

да

где Ii и 1₂ — действующие значения токов в катушках.

Из уравнения преобразования

а = (1/W) (dM/da)I₁I₂cos(*p_i - «р₂)

Рис. 2.16

1

w

(2.51)

Рис. 2.17

I

I -

о

■о

■о

I

о

о-

R

L1

/WW

Рис. 2.18

следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на пе­ременном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разно­сти фаз между этими токами. Это дает возможность использовать При­боры электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрак- катушки соединены последовательно (рис. 2.17) или параллельно (рис. 2.18). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А), не способных повредить тонкие пружинки, по которым ток подводит­ся к подвижной катушке. При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно, причем соотношение сопротивлений цепей катушек выбирается таким образом, чтобы ток через подвижную катушку не превышал допустимого значения. Резистор R и катушки индуктивно­сти L1 и L 2, показанные на рис. 2.18, служат для компенсации темпера­турных и частотных погрешностей.

(2.52)

В последовательной схеме амперметра 1\ =/₂ =/, — <4>г ⁼ 0, поэто­му уравнение преобразования (2.51) сводится к виду

а = (llW)(dM/da)P,

т.е. при условии дЛ/да = const угол поворота стрелки квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна: она сжата на начальном участке и растянута на конечном. Работать с прибором, имеющим неравномер­ную шкалу, очень неудобно, поэтому расположение и форму катушек выбирают таким образом, чтобы производная ЪЖ1Ъа не оставалась по­стоянной, а существенно зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками. Изменяя дЖ/да, удается Делать шкалу практически равномерной (исключая начальный участок, составляющий примерно пятую часть от всей шкалы).

В параллельной схеме 1\ = к_х1\ /₂ =к₂1, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек. Таким образом, квадратичность преобразования и необходимость полу­чения более равномерной шкалы сохраняется и в этом случае.

При измерении электродинамическими амперметрами токов, превы­шающих 10 А, используются измерительные трансформаторы тока.

о-

Гк

Рис. 2.19

U

о

п

Рис. 2.20

Вольтметры выполняются по схеме, представленной на рис. 2.19. Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором Л_доб. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

а = (1/W) (дЛ/да) (tf/R²),

где R — общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением дЛ/да добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт­метров.

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопре­дельными. Это достигается при помощи нескольких добавочных рези­сторов. При измерении повышенных напряжений (свыше 600 В) при­меняются измерительные трансформаторы напряжения.

(2.54)

При построении ваттметров используется тот факт, что уравнение преобразования (2.51) электродинамического механизма содержит произведение токов в катушках. Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z , приведена на рис. 2.20. Ток 1_Х в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток /₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению: /₂ = U/(R_{no б} + г), где 7?_{до б} - сопротив­ление добавочного резистора; г — сопротивление подвижной катушки. С учетом этого уравнение шкалы (2.51) для ваттметра

а = (l/R0(djr/da)/i/2Cosfy>, - <ft) = = О/ИЧ-Ядоб ⁺ r₂))(dJUda)I_HUcosv = ⁼ О/*" С* по б ⁺ г₂))(ЪЛ1Ъа)Р ,

до б

где ip — угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и то­ком/_н в нагрузке; Р — активная мощность нагрузки.

(2.53)

Таким образом, уравнение преобразования электродинамического ваттметра

а = (1 lW(R„_oa + г₂))(дЛ/да)Р

имеет линейный характер.

Электродинамические ваттметры выполняют в виде многопредельных лабораторных переносных приборов самых различных, в том числе и достаточно высоких, классов точности (0,2; 0,1). Диапазон измеряемых мощностей таких приборов — от долей ватта до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленных частот (50 т, 400 Гц).

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности. Они обусловлены ростом индуктивного со­противления катушек, приводящим к уменьшению вращающего мо­мента.

Ферродинамические приборы по существу являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются не по прин­ципу действия, а конструктивно. Для увеличения чувствительности ка­тушка ферродинамических приборов имеет магнитно-мягкий сердеч­ник — магнитопровод, между полюсами которого размещается подвиж­ная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, вращающий момент и чув­ствительность. Однако одновременно из-за нелинейности магнитных характеристик сердечника снижается точность прибора и увеличиваются его частотные погрешности. Ферродинамические приборы широко ис­пользуются в качестве щитовых ваттметров, а также амперметров и вольтметров для измерения в цепях промышленной частоты.