Электромеханических приборов

Электромагнитные преобразователи измерительных механизмов

В аналоговых электроизмерительных приборах прямого преобразования широко используются электромеханические измерительные преобразователи, входной величиной которых является ток, а выходной - перемещение указателя отсчетного устройства. Эти преобразователи получили название измерительных механизмов (ИМ).

Устройство электромеханического прибора и назначение отдельных конструктивных элементов рассмотрим на примере амперметра с электромагнитным ИМ, схематически показанным на рис. 7.1. Основным элементом неподвижной части электромагнитного ИМ, участвующим в создании вращающего момента, является катушка 1, а основным элементом подвижной части - сердечник 2 из ферромагнитного материала, закрепленный на оси 3.

При включении электромагнитного ИМ в электрическую цепь магнитное поле, создаваемое протекающим по катушке током I (входная величина), втягивает сердечник внутрь катушки, в результате чего возникает вращающий момент М _вр, который равен

М _вр = (I ²/2) ∂ L /∂ α,

где L — индуктивность катушки, α — угол поворота подвижного сердечника 2.

Рисунок 7.1—Устойство электромагнитного измерительного механизма

Вместе с подвижным сердечником 2 поворачивается и ось 3, закручивая пружину 4, внутренний конец которой закреплен на оси, а наружный - на неподвижной части ИМ. Момент спиральной пружины возрастает прямо пропорционально углу а поворота подвижной части.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем

α =(I²/2W)dL/da, где W — удельный противодействующий момент.

Из этого уравнения следует, что отклонение указателя (стрелки) пропорционально квадрату измеряемого тока. ИМ пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям синусоидального переменного тока.

Достоинства приборов с электромагнитными ИМ — простота конструкции и надеж­ность. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы, которая в начале сжата, а в конце растянута; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.

Значительная погрешность объясняется наличием ферромагнитного сердечника, в котором возникают вихревые токи и магнитный гистерезис. Последний приводит к вариации показаний, т. е. к разным показаниям при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушкн и ее геометрические размеры.

Полное сопротивление катушки переменному току зависит от частоты, поэтому градуировка электромагнитного ИМ действительна для определенной частоты или в узком диа­пазоне частот.

Магнитное поле катушки очень слабое, поэтому внешнее магнитное поле оказывает значительное влияние на показания. Для защиты от магнитного поля используют два пути — экранирование и астазирование. Экранирование магнито-мягким железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы утяжеляются; неизбежные отверстия для подводящих проводов и щели возле шкал ослабляют экранирование. Поэтому чаще используют астазирование, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, приводящем к нулевому суммарному эффекту.

Астатический прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположны (рис. 2). Внешний магнитный поток Ф складывается с потоком Ф1 первой катушки и вычитается из потока Ф₂ второй катушки. В результате суммарный вращающий эффект остается неизменным.

Рисунок 7.2—Конструкция астатического ИМ

Электромагнитные приборы — приборы, в которых применены электромагнитные ИМ, благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частот ы (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.

1 ‒ неподвижная катушка; 2 ‒ подвижная катушка Рисунок 7.3—Устройство электродинамического ИМ

Электродинамические и ферродинамические ИМ. В электродинамическом (ЭД) и ферродинамическом (ФД) измерительных механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента М _вр, является рамка 2 (рис. 7.3), намотанная тонким проводом. Эта рамка помещена внутри конструкции, состоящей из двух неподвижных катушек. Принцип действия заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают токи I ₁ и I₂.

Вращающий момент М _вр в этом случае равен

М _вр = I ₁ ∙ I₂ ∂М _1,2 /∂α

где М _1,2 —взаимная индуктивность между катушками, а уравнение угла отклонения указателя α

α =(I ₁ ∙ I ₂ /W)∙ ∂М1 _,2 /∂α.

(7.1)

Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи i_x = I_m sin ωt и i_x = I_m sin(ωt+θ), то подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента

М _врср = I ₁ ∙ I ₂ ∂М_{1 ,2} /∂α∙ 1/T₀ ∫^T sin ωt ∙ sin(ωt +θ)dt = I ₁ I ₂ ∂М_{1 ,2} /∂α∙ cosθ.

Здесь I ₁ и I₂ —действующие значения тока, cosθ — фазовый сдвиг между ними.

Таким образом, уравнение (7.1) для переменного тока примет следующий вид:

α = (I ₁ ∙ I₂ ∙ cosθ /W) ∙ ∂М1 _,2 /∂α.

(7.2)

ИМ электродинамической системы по катушкам; градуировка шкалы на

Из этой формулы следует, что показания пропорциональны произведению токов, протекающих постоянном токе справедлива и для переменных токов.

Достоинства этих приборов с ИМ электродинамической системы следующие: возможность перемножать измеряемые величины, т. е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля. Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамические приборы часто изготовляют астатическими.

в

а

б

y"J!r *™

Рисунок 7.4—Соединение катушек ИМ электродинамической системы для работы его в качестве амперметра (а), вольтметра (б) и ваттметра (в)

На рис. 7.4представлены схемы соединения катушек ИМ электродинамической системы для работы его в качестве измерителя тока (а), измерителя напряжения (б) и измерителя мощности (в).

Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис. 4, а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам; уравнение (7.1) для амперметра имеет следующий вид:

α =(I²/W)∙ ∂М _1,2 /∂α = SI ∙ I ², (7.3)

где SI — чувствительность по току.

Очевидно, что при параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше, чем при последовательном.

Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерения от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6 кА) осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока. Переносные амперметры имеют шкалы от 5 мА до 10 А.

Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно (рис. 7.4, б) и зависимость угла α для вольтметра примет вид

α = (U²/WR_к²) ∙ ∂М_{1 ,2} /∂α = S_U ∙U², (7.4)

SU — чувствительность по напряжению, R _к — сопротивление обмоток катушек.

Для расширения пределов измерения постоянного напряжения применяют добавочное сопротивление. Тогда в знаменатель уравнения вместо R_К² подставляют R_v² = (R_К + R_Д)².

При измерении переменного напряжения в цепи вольтметра будет действовать полное сопротивление

Z = √ R _к² + X _к²,

где R_к и Х_к — активное и реактивное сопротивления катушек. На частотах выше 500 Гц реактивное сопротивление Х_к проявляется довольно заметно и потому градуировка шкалы нарушается.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные — от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторы напряжения.

Для измерения мощности одна катушка включается последовательно, а вторая параллельно нагрузке. При измерениях на постоянном токе уравнение зависимости α для ваттметра приобретает следующий вид

α = (U∙ I /WR_к) ∙ ∂М_{1 ,2} /∂α = S _p ∙P, (7.5)

где S_p — чувствительность по мощности, P — величина активной мощности.

Для переменного тока

α = (U I ∙ cosθ /WR_к) ∙∂М _1,2 /∂α = S _p ∙P (7.6)

Щитовые ваттметры выпускают обычно с пределами измерения от 15 до 3000 Вт, переносные — до 1,5 кВт. Применяя одновременно трансформаторы тока и напряжения, пределы можно расширить до любых нужных значений.

Промышленность выпускает много щитовых и переносных амперметров, вольтметров и ваттметров электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50, 400, 1000, 2000 и 3000 Гц. Класс — точности щитовых приборов 1,5; переносных — 0,2; 0,5 и 1,0.

Ферродинамические ИМ являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.

Магнитоэлектрические ИМ. В магнитоэлектрическом ИМ (рис.5), который состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3, неподвижного сердеч­ника 4, двух спиральных пружин 5, подвижной катушки 6, магнитного шунта 7 и указателя 8, вращающий момент М_вр возикает при протекании тока I, который подводится к подвижной катушке 6 через две спиральные пружины

М_BV= I B sn, (7.7)

где B - индукция магнитного поля, создаваемая постоянным магнитом 1; s - площадь катушки и n - число витков катушки 6.

Рисунок 7.5-Магнитоэлектрический измерительный механизм с подвижной катушкой Угол поворота указателя (стрелки) α будет определяться соотношением

α = М_BV/W = IBsn/W = SI (7.8)

где S —чувствительность измерительного механизма к току.

Данная формула является уравнением шкалы прибора на основе магнитоэлектрического Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения. Это свойство магнитоэлектрических приборов используется для индикации частоты, близкой к нулю, например частоты биений.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность (до 3∙10-¹¹ А), в том числе постоянной чувствительностью по всей шкале (равномерная шкала); высокая точность (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-5‒ 10-⁶ Вт); влияющая величина ‒ только температура окружающей среды. Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта; без дополнительных элементов могут использоваться лишь для измерения постоянного тока и напряжения; недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Основные характеристики электромагнитных преобразователей при использовании в качестве ИМ приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1— Основные характеристики электромагнитных ИМ

Разновидность ИМ	Род тока и частота	Макси- мальная .чувствитель- ность, рад/А	Минималь- ный предел измерения, А	Высший класс точности	Область применения
Электромагнитный	Постоянный, переменный 40 Гц‒8 кГц	0,15 Ч10^3	10^-2	0,2	Амперметры, вольтметры
Электродинамиче-ский	То же 40 Гц‒20 кГц	0,15× 10^3	10^-2	0.1	Амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры
Ферродинамический	То же 40 Гц ‒ 1,5 кГц	0,3 Ч10^3	0,5- 10^-2	0,5	Щитовые амперметры, вольтметры, ваттметры
Магнитоэлектриче-ский	Постоянный	1,5 × 107	10^-7	0,1	Амперметры, вольт-метры, гальванометры

Дата добавления: 2014-12-08