Приборы индукционной системы

Работа приборов индукционной системы основана на использовании явления возникновения вращающегося (или бегущего) магнитного поля, т. е. на способности этих полей создавать вращающий момент, действующий на подвижное металлическое тело, помещенное в такое поле.

Индукционные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и энергии в цепях переменного тока. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счетчика электрической энергии однофазного переменного тока (рис. 5).

Рис. 5. Магнитоэлектрическая система счетчика электрической энергии однофазного переменного тока

В индукционном сердечнике бегущее магнитное поле, создается токами его катушек, индуцирует в алюминиевом подвижном диске вихревые токи. Взаимодействие бегущего магнитного поля с вихревыми токами создает вращающий момент, заставляющий диск вращаться в ту же сторону, в которую вращается поле. Противодействующий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита 8 с наводимыми им во вращающемся алюминиевом диске вихревыми токами.

Подвижная часть прибора представляет собой алюминиевый диск 5, укрепленный на оси 4. Неподвижная часть счетчика состоит из двух электромагнитов с сердечниками 1 и 6 и обмотками (намагничивающими катушками) 2 и 7 соответственно. Сердечник 1 является трехстержневым, а катушка 2 состоит из большого числа витков изолированного проводника малого сечения. Эта катушка включается параллельно измеряемой цепи и называется обмоткой напряжения. Ток I_U, проходящий через катушку напряжения, и магнитный поток этой катушки Ф _U пропорциональны приложенному к цепи напряжению U. Так как индуктивность катушки 2 достаточно велика, то ток I_U отстает по фазе от напряжения U на угол π/2 (рис.6).

Сердечник 6 имеет П-образную форму. Катушка 7 состоит из небольшого числа витков изолированного провода достаточно большого сечения. Эту катушку включают последовательно с измеряемой цепью и называют токовой обмоткой прибора. Ток I проходящий через катушку 7 и являющийся током нагрузки, создает поток Ф₁ пропорциональный току I, причем поток Ф₁ отстает по фазе от тока I на некоторый угол, называемый углом потерь. Угол потерь весьма мал, так как поток Ф₁ значительное расстояние проходит через воздух. Токи I_U и I и соответственно создаваемые ими магнитные потоки Ф_U и Ф₁ совпадают по фазе (см. рис. 6). Поток Ф₁, дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I и напряжение U сдвинуты по фазе на угол φ, значение которого зависит от характера нагрузки.

Катушка 2 расположена на среднем стержне сердечника 1, поэтому магнитный поток этой катушки Ф_U разветвляется на потоки Ф₂ и Ф ₃, один из которых Ф₂, проходя по среднему стержню сердечника и участку 3 магнитной цепи, огибает диск и пересекает его. Потоки Ф₃ не пересекают диска прибора, так как замыкаются по боковым стержням сердечника 1. Следовательно, поток Ф₃ используют в сердечнике для создания необходимого угла сдвига фаз ψ между рабочими потоками Ф₁ и Ф₂.

Вращающий момент диска, создаваемый магнитными потоками Ф₁ и Ф₂, пропорционален произведению максимальных значений этих потоков и синусу угла сдвига фаз между ними:

, (6)

где С₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты переменного тока.

Так как можно считать, что магнитный поток Ф₂ пропорционален напряжению U, т.е. Ф₂ = С_U U, и поток Ф₁ пропорционален току нагрузки I, т.е. Ф₁ = С₁I, а синус угла сдвига фаз между этими потоками cosφ (рис. 6), то формулу (6) можно заменить выражением

, (7)

где cosφ - коэффициент мощности потребителя; P - активная мощность; С₁ и С_U - коэффициенты пропорциональности.

Вихревые токи, возникающие в диске при вращении его в поле постоянных магнитов, пропорциональны частоте вращения диска n_Д (об/мин), поэтому противодействующий момент М_ПP = С_Д n_Д.

При вращении диска с равномерной скоростью его вращающий и противодействующий момент равны, т.е. М_ВР = M_ПР или СР= С_Д n_Д, откуда частота вращения диска

.

Если диск за время t сделал n оборотов, то энергия A, полученная из сети потребителем за это время

, (8)

так как

.

Таким образом, согласно (8), электроэнергия, учитываемая счетчиком, пропорциональна частоте вращения диска. Величина А/n = С_Д/С получила название постоянной счетчика и представляет собой энергию, приходящуюся на один оборот диска.

Счетчик электроэнергии имеет счетный механизм, который связан червячной передачей с осью диска. По показаниям счетного механизма определяют количество электроэнергии, которое израсходовал потребитель.

К достоинствам индукционных счетчиков следует отнести их большую надежность в работе, значительную перегрузочную способность по току (~300%), незначительную чувствительность к внешним магнитным полям и большое значение вращающего момента.

Так как в уравнение (7) входит коэффициент С₁, зависящий от частоты сети f, индукционные приборы пригодны для переменного тока одной определенной частоты, что является в какой-то степени недостатком таких приборов. Другим недостатком можно считать зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды: с повышением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление прибора и уменьшаются вихревые токи, что приводит к уменьшению вращающего момента (примерно на 0,4% при нагревании на 1 °С).

Дата добавления: 2013-12-13