Приборы магнитоэлектрической, электромагнитной систем и их логометры

РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ЛЕКЦИЯ 3 Приборы магнитоэлектрической, электромаг- нитной систем и их логометры План лекции: 3.1 Приборы и логометры магнитоэлектрической системы 3.2 Приборы и логометры электромагнитной системы 3.3 Приборы электродинамической и ферродинамической систем и их логометры 3.1 Приборы и логометры магнитоэлектрической системы Основной составной частью магнитоэлектрических приборов (МЭП) является измерительный механизм (преобразователь), в котором вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника с током, выполняемого в виде рамки-катушки, по которой протекает измеряемый ток. Момент успокоения, создается магнитоиндукционным путем за счет взаимодействия токов, наводимых в каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита (рис. 3.1). . Рис.3.1 Схема устройства магнитоэлектрического прибора: 1 — постоянный магнит; 2 — магнитопровод; 3 — полюсные наконечники; 4 — подвижная рамка; 5 — сердечник; 6 — магнитный шунт для регулировки чувствительности прибора; 7 — растяжки; 8 — опоры; 9 — стрелка-указатель Вращающий момент в МЭП возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля, создаваемого обмоткой рамкой. М вр  Wе  Ф, I   ,   (3.1) где Ф – потокосцепление подвижной рамки. Ф  Вs , (3.2) где В- магнитная индукция; s – площадь рамки, 2πrl; α – угол поворота. Ток, протекающий по обмотке рамки, взаимодействуя с постоянным магнитным полем, создает вращающий момент M вр  B  swI , (3.3) где B − индукция магнитного поля в зазоре; s − площадь обмотки рамки; w − число витков обмотки рамки. Вращающему моменту противодействует момент, создаваемый пружинкой или растяжкой, который в пределах упругих деформаций этих элементов линейно зависит от угла поворота рамки : При равенстве M вр  M пр M пр  W   . уравнение преобразования будет иметь вид BswI  W , (3.4) отсюда BSw  I. (3.5) W Из этого выражения видно что, отклонение подвижной части линейно растет с увеличением тока I, т.е. шкала равномерна. При изменении направления тока в обмотке рамки меняется направление отклонение подвижной части, поэтому при включении приборов магнитоэлектрической системы необходимо соблюдать полярность. Из выражения (3.5) и определения понятия чувствительности следует, что для магнитоэлектрических измерительных механизмов она будет определяться как Bsw (3.6) S . W Из уравнения (3.6) видно, что чувствительность не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале, поэтому приборы этой системы имеют равномерную шкалу, что позволяет выпускать их комбинированными и многопредельными. Успокоение подвижной части приборов – магнитоиндукционное. Приборы МЭП используются в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах, а также в омметрах, где вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем. В амперметрах измерительный механизм включается в измерительную цепь непосредственно или с помощью шунта, который подсоединяется параллельно. Они выполняются для измерения малых токов: микро- и миллиамперметры на номинальный ток 30—50 мА. С точки зрения применения амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы делают высокоточными  (классов 0,1– 0,5), многопредельными и комбинированными. Щитовые приборы выпускают однопредельными и классов точности 1,0; 1,5 и 2,5. МЭП используются для измерения различных электрических величин как на постоянном токе (ток, напряжение, сопротивление, сдвиг по фазе, частота сигнала и др.), так и на переменном токе (ток, напряжение). В последнем случае используются преобразователи переменного тока в постоянный, образуя группу приборов: выпрямительные, термоэлектрические и электронные. Достоинства: шкала прибора равномерная, высокий класс точности − 0.1; 0.2; 0.5; 1,0, высокая чувствительность, малое потребление мощности, на показания МЭП не влияют магнитные и электрические поля. Недостатки: сложная и дорогая конструкция, используются только в цепях постоянного тока без преобразователей, имеют малую нагрузочную способность. В логометрах МЭС противодействующий момент создается электрическим путем. Подвижная часть этих приборов состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, по которым протекают токи I1 и I2 . Токи в рамках направлены так, чтобы создаваемые ими моменты были направлены навстречу друг другу. Принимая один момент вращающим, другой можно считать противодействующим. Хотя бы один из параметров, определяющих значение моментов, должен зависеть от угла поворота α. Технически наиболее просто сделать зависящей от угла α магнитную индукцию В. Для этого поле в зазоре должно быть неравномерным, что достигается неравномерностью самого зазора. Выражение для моментов М1 и М2 можно записать: (3.7) М1  В1    s1  w1  I1 ; М 2  В2    s2  w2  I2 , где В1   и В2   – функции, выражающие закон изменения индукции для рамок при их перемещении в зазоре. При равновесии вращающий и противодействующий моменты равны друг другу: (3.8) В1    s1  w1  I1  B2    s2  w2  I2 , откуда B2    s2  w2 I1  . (3.9) B1    s1  w1 I 2 Выразив отсюда угол α, полученную зависимость можно представить в виде I    F  1 , I   2 (3.10) показывающем, что отклонение подвижной части логометра зависит от отношения токов в его обмотках. В настоящее время магнитоэлектрические логометры применяются для измерения сопротивлений в приборах, которые называются омметрами. Их применяют для измерения сопротивлений в приборах, с сопротивлениями R1 и R2 ; Rи и Rд – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему; Rx – измеряемое сопротивление; U – напряжение источника питания, в качестве которого применяется магнитоэлектрический генератор с ручным приводом, встроенный в корпус прибора. Так как U U ; I2  (3.11) I1  , R1  Rд  Rx R2  Rи То получим R2  Rи  ,  R  R  Rx  д  1    F (3.12) То есть, угол отклонения подвижной части определяется значением Rx и не зависит от напряжения источника питания U . Их класс точности 1,0; 1,5. Особенность логометра позволяет использовать его для измерения сопротивлений, частоты и ряда неэлектрических величин. 3.2 Приборы и логометры электромагнитной системы Вращающий момент в электромагнитных измерительных приборах (ЭМП) возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, составляющими подвижную часть прибора. Получили распространение конструкции с плоской или круглой катушкой, с замкнутым магнитопроводом. ЭМИП с плоской или круглой катушкой состоит из неподвижной катушки 1 с обмоткой из медного провода (рис.3.2). Подвижная часть прибора представляет собой сердечник 2 из пермаллоя, который под действием сил поля втягивается в воздушный зазор катушки. В щитовых приборах он выполняется из электротехнической стали, а в точных переносных – из пермаллоя. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. Для успокоения подвижной части применяют воздушные, магнитоиндукционные или жидкостные успокоители. Энергия электромагнитного поля катушки с током I выражается формулой LI 2 We  , (3.13) 2 где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника; I – ток в обмотке. Вращающий момент создается электромагнитной силой, возникающей при втягивании сердечника магнитным потоком, созданным током катушки  LI 2   2  1 2 L We  M вр    I  .   2  (3.14) Рис. 3.2. Электромагнитный измерительный механизм: 1 − неподвижная катушка; 2 − сердечник; 3 − спиральная пружинка; 4 − стрелка; 5 − шкала. Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для установившегося режима 1 2 L I  W  , 2  (3.15) Получаем уравнение преобразования для ЭМИП из равенства М = Мα. 1 2 L I  . (3.16) 2W  Из уравнения (3.16) можно сделать следующие выводы: 1.Знак угла отклонения подвижной части не зависит от направления тока в обмотке, поэтому приборы этой системы могут применяться цепях как постоянного, так и переменного тока. В цепях переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения). 2. Шкала прибора неравномерна. Характер шкалы зависит от множите-  ля L , т.е. от закона изменения индуктивности с изменением угла поворота  сердечника. При изменении формы сердечника и его расположении в ка- тушке можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 15–25 % верхнего предела диапазона измерений. 3. Показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого тока. Электроизмерительный механизм с замкнутым магнитопроводом представляет собой катушку, помещенную на магнитопровод с полюсными наконечниками. При наличии тока в обмотке катушки подвижный сердечник стремится повернуться по часовой стрелке вокруг оси, втягиваясь в рабочее пространство между полюсными наконечниками. Достоинствами измерительного механизма с замкнутым магнитопроводом являются: повышение чувствительности; уменьшение погрешности от влияния внешних магнитных полей. ЭМИП используются в амперметрах, вольтметрах, фарадметрах, фазометрах и частотомерах. В технических щитовых амперметрах и вольтметрах класса точности 1,0 и многопредельных лабораторных приборов классов точности 0,5; 1,0. В амперметрах этой системы диапазон измерения токов весьма широк. Для стационарных измерений используют однопредельные амперметры, а для переносных – многопредельные с секционированными катушками. Переключение с одной секции катушки с последовательным соединением на другую секцию с параллельным, позволяет получать пределы измерения у амперметров в соотношениях 1:2:4. Пределы измерения амперметров могут быть расширены с помощью трансформатора тока. Измерительная цепь вольтметра представляет собой последовательное соединение подвижной катушки и добавочного резистора. Ток полного отклонения вольтметра равен 25-50 mА, а с понижением предела измерения это значение возрастает и достигает 100-200 mA при напряжении 15-30 В. Добавочные резисторы применяются в многопредельных вольтметрах с наибольшим пределом измерения 600 В. Пределы измерения вольтметров могут быть расширены с помощью трансформатора напряжения. Достоинства: простота конструкции и высокая надежность; хорошая перегрузочная способность; пригодность для измерения постоянного и переменного тока; цепях переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения); классы точности 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 45 Гц–10 кГц; диапазон измерения по току 0,005−300 А (при прямом включении) и до 20 кА с измерительными трансформаторами тока (ИТТ); диапазон измерения по напряжению 1,5−60 В (при прямом включении и до 6 кВ с измерительными трансформаторами напряжения (ИТН). Недостатки: большое собственное потребление энергии; невысокая точность; малая чувствительность; неравномерная шкала; влияние внешних магнитных и температурных полей (кроме измерительных механизмов с замкнутым магнитопроводом); частоты питающего напряжения на показания ЭМИП. Электромагнитный логометр – это измерительный механизм с двумя неподвижными катушками и двумя сердечниками, укрепленными на оси. На каждый из сердечников действует вращающий момент, значение которого зависит от квадрата тока соответствующей катушки и угла поворота подвиж- L ). Для того чтобы по лучить вращающие моменты противоположных знаков, сердечники укрепляют на оси так , что при увеличении угла  индуктивность одной из катушек L L увеличивается ( > 0), а другой уменьшается ( < 0). При измерении   подвижная часть устанавливается в том положении, при котором моменты уравновешивают друг друга, т.е. М1 = М2 . ной части, а знак момента – от знака производной ( I12 f 2    ; I 22 f1    I12  2   I2    F или I1 f1    I 2 f2   , откуда или , следовательно, угол поворота подвижной части определяется отношением квадратов токов в катушках логометра. Электромагнитные логометры применяются для измерения емкости, сдвига фаз, частоты переменного тока. 2 2 3.3 Приборы электродинамической и ферродинамической систем и их логометры Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных потоков, созданными токами двух катушек. Неподвижная катушка 1 состоит из двух одинаковых частей разделенных воздушным зазором, изготовленная медным проводом, намотанная на изоляционный каркас. Подвижная катушка 2 выполняется бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для подвода тока к подвижной катушке используются две спиральные пружины, которые создают противодействующий момент движению катушки. Собственное магнитное поле невелико, поэтому для защиты от внешних магнитных полей требуется экранирование. Степень успокоения обеспечивается воздушными или магнитоиндукционными успокоителями. Рис. 3.3 Электродинамический измерительный прибор: 1 и 2 — неподвижная и подвижная катушки; 3 — ось; 4 — пружина; 5 — стрелка; 6 — шкала. При протекании постоянных токов I1 и I 2 по обмоткам катушек измерительного механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки подвижной и неподвижной катушек совпали. Электромагнитная энергия двух контуров с токами: 1 1 (3.17) We  L1  I12  L2  I 22  I1  I 2M1,2 , 2 2 Где L1 и L2 – индуктивности катушек; М1,2 – взаимная индуктивность между ними. Так как индуктивности катушек не зависят от угла поворота  , взаимная индуктивность зависит, то M We M вр   I1  I 2  1,2 .   (3.18) Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для установившегося режима получим: M I1  I 2  1,2  W  ,  (3.19) Откуда M 1    I1  I 2  1,2 . W  (3.20) Из этого выражения видно, что: • При одновременном изменении направлений токов I1 и I 2 знак угла отклонения меняться не будет, поэтому приборы этой системы применяются в цепях постоянного и переменного токов. •Характер шкалы зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между подвижной и неподвижной катушками, т.е. от размеров, формы и взаимного расположения катушек. При включении приборов этой системы в цепь переменного тока вращающий момент будет определяться произведением действующих значений токов на косинус угла между ними: M M вр  I1  I 2  cos  1,2 .  (3.21) К достоинствам приборов электродинамической системы можно отнести: • Возможность использования как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока; • Измерительный механизм обладает перемножающим свойством двух величин (токов и напряжений); • Возможность использования в качестве амперметров с пределами от 1 мА до 10 А с частотой до 10 кГц; многопредельные вольтметры с пределами от 1,5 В до 600 В с частотой до 5 кГц; многопредельные однофазные ваттметры с пределами по току от25 мА до 10 А и по напряжению от 15 В до 600 В, а также частотомеров и фарадметров. • Самые точные приборы, применяемые в цепях переменного тока; Класс точности 0.05; 0.1; 0.2; 0.5. К недостаткам приборов электродинамической системы можно отнести: • Низкая чувствительность в цепях переменного тока; • Большое потребление мощности; • Чувствителен к внешним магнитным полям, что вызывает необходимость экранировать измерительный механизм; • Сложная конструкция и высокая стоимость изготовления; • Плохо переносят механические воздействия (удары, тряску и вибрацию). Приборы ферродинамической системы имеют тоже назначение, что и приборы электродинамической системы. Конструктивное различие заключается в том, что неподвижная катушка расположена на магнитопроводе из листовой наборной электротехнической стали или пермаллоя. Поэтому вращающий момент – приборов существенно увеличен, а вся магнитная система оказывается экранированной от действия внешних магнитных полей. Чаще всего приборы этой системы применяются, как щитовые приборы для вертикального расположения. Из-за сравнительно большого вращающего момента приборы устойчивы к тряске и вибрациям и успешно применяются на железнодорожных, морских и воздушных транспортных средствах. Так как магнитный поток ФИП замыкается не по воздуху, а по магнитопроводу, вращающий момент существенно возрастает. Собственное магнитное поле сильное, поэтому влияние внешних магнитных полей ослабевает. Но, в тоже время наличие магнитопровода связано с появлением погрешностей от гистерезиса и вихревых токов. Для уменьшения этих погрешностей пластины магнитопровода изолируют друг от друга, а подвижную катушку выполняют бескаркасной. Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для установившегося режима получим значение  : K    I1  I 2  cos , W (3.22) где К – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров и выбора системы единиц. Наличие магнитопровода делает магнитное поле в воздушном зазоре, где перемещается подвижная катушка, равномерным и радиальным, поэтому M1,2  const.  Приборы этой системы используются в качестве щитовых и переносных приборов переменного тока, а также самопишущие приборы. Щитовые ферродинамические амперметры и вольтметры классов точности 1,5 и 2,5; переносные амперметры и вольтметры классов точности 0,5; щитовые и переносные ваттметры классов точности 0,2 и 0,5. К достоинствам приборов ферродинамической системы можно отнести: • Возможность использования как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока; • Хорошо переносят механические воздействия – удары, тряску и вибрацию, поэтому применяются на железнодорожных, морских и воздушных транспортных средствах. К недостаткам приборов ферромагнитной системы можно отнести: • Низкая чувствительность в цепях переменного тока; • Большое потребление мощности; • Сложная конструкция и высокая стоимость изготовления; • Менее точные, чем приборы электродинамической системы. Так как приборы электродинамической и ферродинамической системы отличаются наличием магнитопровода, то и устройство логометров этих систем не будут отличаться друг от друга. Рис. 3.6. Электродинамический логометр Подвижная часть логометра состоит из двух жестко скрепленных между собой под углом  катушек Б1 и Б2 , которые находятся в поле неподвижных катушек А. Значение моментов М 1 и М 2 будет определяться: M А,Б1 ; (3.23)  M A,Б2 , (3.24) M 2  I  I 2  cos I , I 2  cos        где I – ток в последовательно включенных катушках А; I1 и I 2 – токи в катушках Б1 и Б2 . Для установившегося равновесия М1  М 2. Если катушки выполнены     M1  I  I1  cos I , I1  cos   так, что то М А,Б М А,Б   1 I1 cos  I , I1  I 2 cos  I , I 2   2, cos      . cos  (3.25) (3.26) Отсюда I    F  1 . I   2 (3.27) Логометры электродинамической и ферродинамической систем – это ваттметры, фазометры и частотомеры. Расширение пределов измерений осуществляется с помощью шунтов, добавочных сопротивлений, измерительных трансформаторов тока и напряжений. Использование логометров для построения ваттметров электродинамической и ферродинамической систем осуществляется для измерения активной мощности в цепях постоянного и переменного тока. Контрольные вопросы 1 Основные узлы магнитоэлектрического прибора? 2 Достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов? 3 Применение логометров магнитоэлектрических приборов? 4 Объясните принцип действия приборов электромагнитной системы. 5 Достоинства и недостатки электромагнитной системы? 6 В каких приборах применяются логометры электромагнитной системы? 7 Достоинства и недостатки приборов электродинамической и ферродинамической систем. 8 В каких приборах используются логометры ЭДС и ФДС?