Электродинамические измерительные механизмы.

Принцип действия электродинамических измерительных механизмов основаны на взаимодействии полей двух токов, протекающих соответственно по двум катушкам: неподвижной катушке 1 и подвижной катушке (рамке) 2(рис. 3.5.1.).

Рис. 3.5.1. Электродинамический измерительный механизм:

1 — неподвижная катушка; 2 — под­вижная катушка (рамка): 3— ось; 4 крыло успокоителя; 5 — камера успо­коителя

Неподвижную катушку выполняют из двух частей, между ними проходит сквозная ось 3, на которой укреп­лена подвижная катушка. Противодействующий момент создается пружинами, служащими также и для подвода тока к подвижной катушке.

В электродинамических механизмах обычно применяются воздушные успокоители. На рис. 3.5.1. цифрой 4 обозначено крыло успокоителя, а циф­рой 5 — камера успокоителя.

В данном механизме подвижная катушка помещается в неравномерном поле. Поэтому вращающий момент, действующий на под­вижную катушку, зависит от взаимного расположения катушек.

В этом случае выражение для вращающего момента в общем виде можно получить, исходя из того, что подвижная часть любо­го электромеханического устройства стремится расположиться та­ким образом, чтобы электромагнитная энергия устройства была наибольшей. При этом вращающий момент определяется скоро­стью изменения электромагнитной энергии А_епри пере­мещении подвижной части на угол α:

Электромагнитная энергия ме­ханизма, состоящего из двух катушек с токами I₁  I₂, может быть представлена в виде:

Следовательно, вращающий момент зависит не только от токов

I₁ и I₂, но и от взаимного расположения катушек, т.е. от угла отклонения α  подвижной катушки.

При одновременном изменении направления токов I₁ и I₂ направление вращающего момента не изменится. Следовательно, электродинамический измерительный механизм может применяться как на постоянном, так и на переменном токе.

Однако при измерениях на переменном токе последнее выражение будет спра­ведливо лишь для мгновенных значений токов i₁и i₂.

Руководствуясь теми же рассуждениями, которые были приве­дены для ферродинамических приборов, получим среднее за пе­риод значение вращающего момента (определяющее угол откло­нения подвижной части):

где:  ψ  — сдвиг по фазе между токами I₁ и I₂.

Противодействующий момент, создаваемый пружинами, бу­дет следующим:

где W — удельный противодействующий момент пружины. Уста­новившееся отклонение будет наступать при равенстве:

Если неподвижная и подвижная катушки соединены последовательно или параллельно, то

где: I— значение измеряемого тока; к₁, к₂— коэффициенты пропорциональности.

Шкала электродинамического измерительного механизма имеет квадратичный характер. Однако при правильном выборе геометрических размеров катушек и их начального взаимного расположения можно достичь такой зависимости М_1.2от угла отклонения, чтобы вращающий момент практически не зависел от угла пово­рота а на значительном участке шкалы при включении катушек в различные участки измерительной цепи шкала измерительного механизма имеет практически равномерный характер.

Электродинамические измерительные механизмы обладают сле­дующими свойствами:

• применяются как для измерений на постоянном, так и на переменном токе. На переменном токе эти механизмы измеряют действующее значение;

• характер шкалы неравномерный; при использовании электродинамического измерительного механизма в ваттметрах шкала практически равномерна;

• непосредственное измерение тока обычно ограничивается верхним пределом, составляющим 5 А (редко 10 А), и нижним преде­лом порядка 30...60 мА. Повышение предела измерения требует использования дополнительных преобразователей (трансформаторов тока);

• потребление мощности относительно велико. Например, при пределе измерения 5 А потребление мощности достигает порядка 5 Вт, что примерно в 20 раз больше, чем у магнитоэлектрического измерительного механизма с дополнительным преобразователем (шунтом) на тот же предел измерения.

Основными достоинствами электродинамических меха­низмов являются:

• одинаковые показания на постоянном и переменном токе, что позволяет с большой точностью градуировать их на постоянном токе, на переменном токе эти механизмы измеряют действующее значение;

• стабильность показаний во времени, не содержат ферромагнитных сердечников.

• непосредственное измерение тока возможно примерно до 100 А, дальнейшее увеличение предела измерения требует использования дополнительных преобразователей;

Указанные свойства электродинамических механизмов позволяют выпускать на их основе лабораторные много­предельные приборы высоких классов точности 0,5; 0,2; 0,1 для измерений на постоянном и переменном токе.

Выпуска­ются миллиамперметры и амперметры с пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц с током полного отклонения от 60 до 3 мА, многопредельные одно­фазные ваттметры с пределами по току от 25 мА до 10 А и по напряжению от 15 до 600 В.

Недостатки электродинамических механизмов:

 невысо­кая чувствительность;

 большое собственное потребление мощности;

 чувствительность к перегрузкам;

 характер шкалы неравномерен: в начале ее деления сильно сжаты, однако последние (примерно) две трети шкалы можно сделать близкими к равномерной;

• потребление мощности относительно велико. Например, при пределе измерения, равном 5 А. потребление мощности достига­ет порядка 2...5 Вт.

Изменение частоты вызывает изменение реактивной сос­тавляющей полного сопротивления цепи вольтметра и соз­дает частотную погрешность. Для компенсации этой по­грешности часть добавочного резистора шунтируется кон­денсатором с емкостью С (рис. 3.38).

Вследствие наличия магнитопровода в ферродинамиче­ских приборах при работе на постоянном токе возникает погрешность от гистерезиса, а на переменном токе оказывают влияние потери в магнитопроводе, нелинейность кривой намагничивания материала магнитопровода и др.* Эти причины снижают точность и ограничивают частотный диапазон прибора.

Рис. .8. Схема устройства из­мерительного механизма элект­родинамической схемы

Подвижная катушка, укрепленная на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной.При протекании в обмотках катушек токов I₁и I₂возникают электромагнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки подвижной и неподвижной катушек совпали.                                                  

Неподвижная катушка 1 обычно выполняется из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Бла­годаря этому обеспечиваются требуемая конфигурация маг­нитного поля и удобство расположения оси. Неподвижная и подвижная катушки механизма имеют круглую или прямоугольную форму и изготовляются из медного или алюминиевого провода. Подвижная катуш­ка укрепляется на опорах или растяжках.

Для подвода то­ка к подвижной катушке используются спиральные пружи­ны или растяжки.

Собственное магнитное поле электродинамических меха­низмов, силовые линии которого замыкаются по воздуху, невелико. Внешнее магнитное поле вызывает появление до­полнительного момента от взаимодействия тока в подвижной катушке с потоком этого поля.

Рис. 9. Электродинамичес­кий измерительный механизм

 При работе электродинамического механизма на постоянном токе оказвают влияние постоянные магнитные поля. Если же измерительный механизм применяется в цепи переменного тока, то возни­кает погрешность от действия переменных магнитных полей той же частоты, что и частота тока в катушках. Погреш­ность увеличивается при совпадении по фазе векторов ин­дукций магнитного поля катушек и внешнего поля. Для за­щиты от влияний внешних магнитных полей применяется экранирование, т.е. измерительный механизм помещают внутри одного или двух экранов из ферромагнитного мате­риала.

Магнитные поля неподвижных катушек направлены взаим­но противоположно. Противоположно направлены поля и подвижных катушек, поэтому вращающие моменты, дейст­вующие на подвижную часть, направлены одинаково. Внеш­нее равномерное магнитное поле будет усиливать поле од­ной неподвижной катушки и настолько же уменьшать поле другой, в результате влияние внешнего магнитного поля почти полностью исключается.

Энергия магнитного поля двух катушек с токами I₁ и I₂ равна:

(13)

 где L₁ и L₂ — индуктивности катушек; М₁₂— взаимная ин­дуктивность между катушками.

В (13) только взаимная индуктивность М₁₂ зависит от угла поворота подвижной части. Вращающий момент равен:

(14)

При протекании по катушкам переменных токов i_{1 =} I_1m sin vt и

i₂ = I_2m sin vt подвижная часть из-за инерционности реагирует на среднее значение вращающе­го момента:

где I₁и I₂ — действующие значения токов; M(t) —мгновен­ное значение вращающего момента; C — угол сдвига фаз между токами в катушках.

Из (3.12) следует, что вращающий момент пропорцио­нален произведению действующих значений токов в катуш­ках и косинусу угла сдвига фаз между ними. Эта особен­ность электродинамического механизма открывает возмож­ность для создания на его основе не только амперметров и вольтметров, но и средств измерения других величин.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для режима установившегося отклонения (М₁ = - М₂)получим:

откуда для механизма прибора, работающего на перменном токе:

(15)

Следовательно, характер шкалы зависит от произведе­ния I₁I₂ cosφ и производной dM₁₂/da. Взаимная индуктив­ность между катушками определяется их формой, раз­мерами и взаимным расположением, т.е.

 M₁₂ = f(a).

При протекании по катушкам постоянных токовI₁ и I₂ уравнение преобразования можно представить в следую­щем виде:

(16)

Основными достоинствами электродинамических меха­низмов являются одинаковые показания на постоянном и переменном токе (при последовательном соединении кату­шек), что позволяет с большой точностью градуировать их на постоянном токе, а также стабильность показаний во времени. Электродинамические механизмы не содержат ферромагнитных сердечников.

Указанные свойства электродинамических механизмов позволяют выпускать на их основе лабораторные много­предельные приборы высоких классов точности 0,5; 0,2; 0,1 для измерений на постоянном и переменном токе.

Выпуска­ются миллиамперметры и амперметры с пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц с током полного отклонения от 60 до 3 мА, многопредельные одно­фазные ваттметры с пределами по току от 25 мА до 10 А и по напряжению от 15 до 600 В.

Недостатки электродинамических механизмов: невысо­кая чувствительность, большое собственное потребление мощности, чувствительность к перегрузкам.

Механизмы ферродинамической системы отличаются от рассмотренных электродинамических систем тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листово­го материала.На рис. 10 изображены две конструкции ферродинамических механизмов: однокатушечная (а) и двухкатушечная (б).

Рис. 10. Конструкции ферродйнамнческих ме­ханизмов:

а — однокатушечного; б —двухкатушечного

Благодаря наличию магнитопровода магнитный поток и, следовательно, вращающий момент существенно возраста­ют, поэтому МДС катушки может быть снижена и, следова­тельно, уменьшено собственное потребление мощности ме­ханизма.

Подвижная катушка в ферродинамических механизмах выполняется бескаркасной во избежание появления в кар­касе индуцированных токов. Противодействующий момент создается пружинами, т.е. Мпр = -Wa,

Собственное магнитное поле в ферродинамических меха­низмах сильное, поэтому внешние магнитные поля на них влияют слабо.

 Конструкции механизмов, изображенные на рис. 10, особенно хорошо защищены от влияния внешних магнитных полей, так как магнитопровод одновременно является экраном.

Успокоители применяются магнитоиндукционные и жидкостные.

Наличие сердечника (нелинейного элемента) вызывает появление погрешностей, обусловленных гистерезисом, вих­ревыми токами и другими причинами. Несмотря на то что в ферродинамических механизмах сердечники набираются из пластин электротехнической стали или пермаллоя, кото­рые для уменьшения погрешностей от вихревых токов изо­лируются, ферродинамические приборы менее точны, чем электродинамические.

Неподвижная катушка 1 в ферродинамическом механиз­ме располагается на сердечнике - магнитопроводе, а под­вижная катушка 2, укрепленная на оси, перемещается в воздушном зазоре с равномерным и радиальным магнит­ным полем.

Общие выражения вращающего момента, полученные для электродинамического механизма, (14) и (3.12) ос­таются в основном справедливыми и для ферродинамического механизма.

Однако так как в воздушном зазоре, где перемещается подвижная катушка, магнитное поле равномерноё и радиальное, то dM₁₂/da=const. Кроме того, в связи с тем что вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитной индукции В₁ в зазоре магнитопровода и тока в подвижной катушке I₂, в формулу(3-12) войдет не

 cosc = cos(I₁^{^}I₂,), a cos(В₁^{^}I₂). Вращающий момент (сред­нее значение за период) можно представить выражением:

М = cВ₁ I₂cos.(В₁^{^}I₂),                    (17)

где с — коэффициент, определяемый конструктивными параметрами измерительного механизма и выбором системы единиц.

Так как при работе механизма используется линейный участок кривой намагничивания материала магнитопрово­да, то индукция В₁пропорциональна току I₁. Угол сдвига фаз между В₁ и I₁, обусловленный потерями в материале магнитопровода, практически очень мал; этим углом пре­небрегают, и вращающий момент определяется по формуле:

(18)

откуда уравнение преобразования будет:

(19)

для измерения угла сдвига фаз, частоты, емкости индуктивности и др.

На рис. 11 изображены: электродинамический логометр (а) и векторная диаграмма токов (б), протекающих в его катушках.

Логометр состоит из неподвижной катушки А, имеющей две части,и двух жестко скрепленных под острым углом подвижных катушек 1 и 2.Для подвода тока к подвижным катушкам служат безмоментные токо-подводы.По неподвижной и подвижным катушкам протекают токи I, I₁ иI₂ соответственно. От взаимодействия магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по неподвиж­ной катушкеI  и подвижным катушкамI₁  иI₂ , создаются два вращающих момента М₁ и М_2. Моменты зави­сят от угла поворота подвижной части и направлены в противоположные стороны. Выражения для средних значе­ний моментов М₁ и М₂ за период можно представить в соот­ветствии с формулой (18) в виде:

где: c₁ — угол сдвига фаз между токами в неподвижной ка­тушке А и током I₁в подвижной катушке 1; c₂ — угол сдви­га фаз между токами в неподвижной катушке А и током I₂ в подвижной катушке 2; с₁ и с₂ — коэффициенты, опре­деляемые конструктивными параметрами и выбором систе­мы единиц.

б)

Рис. 11. Схема устройства и векторная диаграмма электродинамического логометра.

Под действием этих моментов подвижная часть повора­чивается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство моментов. Тогда:

или                                                                                                (20)

Из формулы (20) видно, что угол поворота подвижной части электродинамического логометрического механизма опреде­ляется отношением проекций векторов токов в подвижных катушках на вектор тока в неподвижной катушке.

Логометрические механизмы ферродинамической систе­мы могут быть как с равномерной, так и с неравномерной магнитной индукцией и с перекрещенными или неперекре­щенными подвижными катушками.

Рис. 12. Ферродинамический логометрический механизм с перекрещен­ными подвижными ка­тушками

На рис. 12 и 13 приведены две конструкции часто применяемых логометров ферродинамической системы: с перекрещенными и неперекрещенными подвижными катуш­ками 1 и 2.Устройство логометра рис. 12 в значительной степени аналогично устройству магнитоэлектрического логометра.

В логометре рис. 13 подвижные катушки переме­щаются в воздушных зазорах двух магнитопроводов, смон­тированных вместе. Магнитные потоки в зазорах магнито­проводов создаются неподвижными катушками А₁ и А₂, обтекаемыми одним током I.

Рис. 13. Ферродинамический логометрический механизм с неперекрещенными подвижными катушками.

От взаимодействия магнитных потоков в зазорах маг­нитопроводов и токов в подвижных катушках 1₂₁ и 1₂ созда­ются два вращающих момента М₁ и М₂, направленных в противопотивоположенные стороны и по аналогии с формулой (17) имеющих средние значения моментов

В₁ и В₂   -магнитные индукции в воздушных зазорах в местах расположения  подвижных катушек, зависящие от тока I и угла отклонения подвижной части, т.е.

B₁= c₁If₁  (α)

-

коэффициен­ты зависящие от конструктивных параметров измеритель­ного механизма и выбора системы единиц. Тогда

Из условия установившегося равновесия M1 = М2, по­лагая с₃ = с₄, имеем:

(21)