Изучение приборов электродинамической, ферродинамической, индукционной и электростатической систем

Цель работы. Изучить общее устройство и конструкцию при­боров указанных систем. Научиться расширять пределы измере­ния приборов с помощью измерительных трансформаторов.

План работы.

1. Изучить конструктивные элементы приборов указанных систем и расположение их в приборах различных типов.

2. Изучить устройство астатического механизма на ваттметре типа АСТ-Д.

3.  Изучить вопрос расширения пределов измерения приборов с помощью измерительных трансформаторов и конструкцию пос­ледних.

4. Собрать цепь (рис. 19), используя токоприемники, мощность которых известна.

5. Подобрать измерительные трансформаторы к приборам с таким расчетом, чтобы при измерении стрелки приборов находи­лись во второй половине шкалы.

6. После проверки цепи преподавателем подключить ее к источнику тока и измерить токи в участках, напряжения на них и мощность всей цепи.

7. Подсчитать мощность каждого участка по показаниям ам­перметров и вольтметра.

8.  Сравнить результаты измерений и вычислений. Сделать вы­воды.

Пояснения к работе.    После сборки схемы оценить величину то­ков в участках и во всей цепи. По этим токам, напряжению сети и приборам, которые будут использованы при измерениях, подобрать измерительные трансформаторы к ваттметру, вольтметру и ампер­метрам. Включить приборы в цепь через измерительные трансфор­маторы.

После проверки цепи преподавателем подключить ее к источ­нику тока и измерить величины, указанные в таблице  . При снятии показаний приборов учитывать коэффициенты трансформации трансформаторов.

 

 

 

                         Рис 19

 

По показаниям приборов подсчитать мощность каждого участка и всей цепи и общий ток. Результаты вычислений записать в ту же таблицу.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

Сравнить Р_изм и Р_выч. При наличии расхождений объяснить, чем они выз­ваны. Почему приборы электродинамической, ферродинамической и индукционной систем можно ис­пользовать для измерения мощности, а магнитоэлектрической и электромагнитной нельзя? Как определить цену деления шкалы ваттметра? Почему приборы электродинамической системы при­менимы в цепях постоянного и переменного токов? Что такое гене­раторные зажимы приборов и каковы правила включения их? 

Дополнительный материал к работе.

Измерительные приборы электродинамической системы. Прин­цип действия приборов электродинамической системы аналогичен принципу действия приборов магнитоэлектрической системы, но в первых внешнее магнитное поле создается не постоянным магни­том, а неподвижной катушкой 1, по которой проходит ток. Прак­тически эта катушка содержит небольшое число витков толстой проволоки (рис. 20,а).

 

 

Рис.  20 Измерительный прибор электродинамической системы; а — схема устройства; б — астатический механизм.

 

Конструкция подвижной системы 2 ничем не отличается от ана­логичной конструкции для приборов магнитоэлектрической системы.

Если по неподвижной катушке пропустить ток I₁, а по подвиж­ной — ток I₂, то рамка, по которой течет ток I₂, окажется в маг­нитном поле неподвижной катушки 1 и на нее, как и в приборах магнитоэлектрической системы, будет действовать вращающий мо­мент (рис.20,а). Он будет зависеть от величины токов I₁ и I₂, так как вообще вращающий момент появляется в результате взаимодействия магнитных потоков катушек (Ф₁ и Ф₂), которые сами зависят от токов I₁ и I2 соответственно.

Таким образом,

 

                                              М_вр =к Ф₁ Ф₂ =к I₁ I₂                                     

 

Зависимость вращающего момента от двух токов позволяет использовать эти приборы не только в цепях постоянного, но и в цепях переменного тока. Действительно, с изменением направле­ния тока I₁ меняется и направление магнитного потока Ф₁ в ко­тором находится рамка, от этого должно измениться на обратное и направление сил F, действующих на рамку (рис. 20,а). Но вместе с изменением направления тока I₁ изменяет свое направле­ние и ток в рамке I₂, а от этого направление вращающего момен­та изменяется на обратное еще раз и таким образом оказывается прежним.

Следовательно, по мере того как переменный ток изменяет свое направление, вращающий момент действует все время в одну сторону, изменяясь по величине по мере изменения силы тока. Из-за инерционности подвижная система прибора не может сле­довать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращаю­щего момента М_ср за период Т.

На основании уравнения (М_вр =к Ф₁ Ф₂ =к I₁ I₂),                                    

мгновенное значение вращаю­щего момента в некоторый момент времени

где К—некоторый коэффициент пропорциональности;

  Ф₁ и Ф₂ —мгновенные значения магнитных потоков катушек в этот момент времени.

Так как коэффициент пропорциональности К — величина по­стоянная, то характер изменения вращающего момента полностью определяется характером изменения произведения Ф₁Ф₂ с течением времени, поэтому по графику этого произведения можно видеть характер изменения вращающего момента. Более того, этот график можно считать и графиком вращающего момента, так как он полностью подобен последнему и все его ординаты лишь меньше соответствующих ординат истинного графика m _вр в одина­ковое число раз (в К раз).

В связи с этим во всех рассуждениях о вращающем моменте можно пользоваться графиком произведения ф₁ ф₂ и лишь в окон­чательный результат надо ввести коэффициент пропорционально­сти К, то есть увеличить его в. К раз.

На рисунке 21 построены графики произведения ф₁ф₂ для случаев, когда магнитные потоки по фазе совпадают, не совпадают на некоторый угол а и не совпадают на 90°. Из этих рисунков вид­но, что среднее значение произведения ф₁ф₂ (а значит, и среднее значение вращающего момента) зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними, причем оно оказывается пропорциональным косинусу этого угла (cos а). Действительно, если, а = 0, то cos α = l, и среднее значение произ­ведения оказывается максимальным.

С увеличением угла α косинус его уменьшается и среднее зна­чение произведения магнитных потоков тоже уменьшается. При α = 90° cos α=0, и среднее значение произведения магнитных по­токов становится равным нулю, так как график произведения ста­новится симметричным относительно оси времени.

 

 

 

                           Рис.21

 

Таким образом, из рисунков следует, что среднее значение вра­щающего момента пропорционально магнитным потокам катушек и косинусу угла сдвига фаз между ними:

                                    М_ср = КФ₁Ф₂ соs α                                               

 

где Ф₁ и Ф₂ — действующие значения магнитных потоков в ка­тушках.

Так как система не содержит стальных сердечников, то магнит­ное поле у этих приборов слабое и каркас подвижной катушки не может выполнять роль успокоителя. Поэтому в приборах элек­тродинамической системы, как правило, устанавливают воздуш­ные успокоители.

По той же причине эти приборы в значительной степени под­вержены влиянию внешних магнитных полей.

Для уменьшения дополнительной погрешности от внешнего магнитного поля используют механизмы астатического устройст­ва, которые имеют две неподвижные и две подвижные катушки (рис.20,6). Неподвижные катушки соединены между собой пос­ледовательно, но так, что поля их направлены в противополож­ные стороны. Токи в подвижных катушках также направлены в противоположные стороны. Благодаря этому вращающие момен­ты обоих элементов совпадают по направлению и на ось со стрел­кой действует некоторый суммарный вращающий момент. Если прибор окажется под влиянием какого-либо внешнего магнитно­го поля, то благодаря различным направлениям полей неподвиж­ных катушек одно из них внешним полем будет усиливаться, а другое в такой же степени ослабляться. В результате этого вра­щающий момент, созданный одним элементом, увеличится, а дру­гим — в такой же степени уменьшится. Суммарный вращающий момент, действующий на ось, останется неизменным. Практически, если внешнее магнитное поле однородно, то влияния его на пока­зания астатического механизма совершенно не чувствуется.

К положительным свойствам приборов электродинамической системы относятся следующие:

1)  почти равномерная шкала;

2) большая точность (до класса 0,1);

3) возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного тока;

4)  наличие двух чувствительных элементов (две катушки, влия­ющие на угол поворота подвижной системы).

Но эти приборы имеют и недостатки:

1) зависимость показаний от внешних магнитных полей;

2)   чувствительность к перегрузкам;

3)  относительно большая потребляемая мощность (обычно 6—10 вт, но у некоторых приборов может достигать 20—25 вт);

4)  высокая стоимость.

Механизмы электродинамической системы чаще всего применя­ются в приборах, предназначенных для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов, или в амперметрах и вольтметрах высокого класса точности (0,2; 0,1), тоже пред­назначенных для измерения в цепях посто­янного и переменного токов.

Измерительные приборы ферродинамической системы. Приборы ферродинамической системы представляют собой разно­видность электродинамических, но отлича­ются от них тем, что у первых внешнее маг­нитное поле, в котором находится рамка с током, создается катушкой со стальным сер­дечником.

Конструктивно они подобны приборам магнитоэлектрической системы, но постоян­ный магнит заменен сердечником 1 из магнито-мягкой стали, на котором расположена катушка 2           

При прохождении тока по неподвижной катушке сердечник 1 намагничивается и рамка 3 с током оказывается в магнитном по­ле. В результате этого на нее действует вращающий момент, и подвижная система поворачивается. Сердечник 4 конструктивно выполнен так же, как в приборах магнитоэлектрической системы, и имеет то же назначение.

 

 

 

 

 

 

       Рис.22. Прибор ферродинамической системы.

Вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, пропорционален токам в катушках. Так как в приборах ферродинамической системы вращающий момент зависит от двух токов, то эти приборы можно использовать и в цепях переменного тока, причем в этом случае вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними:

 

                                     М_вр = КФ₁Ф₂, cos α,                                             

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            где Ф₁ и Ф₂ — магнитные потоки в обмотках;

α — угол сдвига фаз между ними;

К — некоторый коэффициент пропорциональности.

Благодаря наличию стального сердечника в воздушном зазо­ре, в котором расположена подвижная катушка 3, магнитная ин­дукция достигает значительной величины, поэтому и вращающий момент у этих приборов большой. Это позволяет увеличить вес подвижной части, а следовательно, и ее прочность без увеличения погрешности от трения, а также использовать их в качестве само­пишущих приборов, в которых для движения пишущего пера тре­буется большое усилие. Большая магнитная индукция в зазоре делает показания прибора практически не зависимыми от внешних магнитных полей. Но наличие стали влечет за собой увеличение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов.

Для успокоения подвижной системы используются воздушные или магнитоиндукционные успокоители.

Использовать для целей успокоения каркас подвижной катуш­ки 3, как это делается в приборах магнитоэлектрической систе­мы, не представляется возможным, так как обмотка катушки вы­полняется либо бескаркасной, либо на неметаллическом каркасе, поскольку наличие металлического каркаса вызвало бы появление в нем индуктированных токов при использовании прибора в цепях переменного тока.

Достоинства приборов ферродинамической системы следующие:

1)  большой вращающий момент;

2) прочность конструкции;

3)  надежность в работе;

4)  независимость показаний от внешних магнитных полей.

Недостатки этих приборов:

1) чувствительность к перегрузкам (по напряжению);

2) зависимость показаний от частоты;

3) невысокая точность;

4) относительно большая потребляемая мощность (от 0,15 до 10 вт, в зависимости от типа и пределов измерения прибора).

 

Измерительные приборы индукционной системы. Принцип дей­ствия прибора индукционной системы основан на явлении взаимо­действия между вихревыми токами, протекающими в подвижной части прибора, и магнитными потоками, которые создаются в его неподвижной части. В результате взаимодействия между вихре­выми токами и магнитными потоками на подвижную часть дей­ствует вращающий момент, и она поворачивается.

Из самого принципа действия следует, что приборы индук­ционной системы могут быть использованы только в цепях пере­менного тока, так как в цепях постоянного тока вихревые токи возникать не будут

Измерительный механизм индукционной системы состоит из двух электромагнитов 1 и 2 (рис.23, а), между полюсами кото­рых расположен алюминиевый диск 3, укрепленный на оси ОО₁. При прохождении токов по обмоткам в сердечниках электромаг­нитов создаются магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Поток Ф₁ пронизы­вает диск дважды в различных направлениях (рис. 126, б). Поток Ф₂ делится на две части: вспомогательный поток Ф_L, который за­мыкается через боковые стержни 5 электромагнита, и рабочий поток Ф₂, который пронизывает диск один раз и замыкается через стальную планку 4 (противополюс)  .

Пронизывая диск, рабочие потоки индуктируют в нем вихревые токи. На рисунке 23, в показано распределение вихревых токов, их направления и направления магнитных потоков в сердечниках, которые мы примем за положительные.

По правилу левой руки можно определить, что токи I₁ взаи­модействуя с потоком Ф₂, стремятся повернуть диск против часо­вой стрелки. Токи I₂, взаимодействуя с потоком Ф₁ вращают диск в обратную сторону.

Таким образом, на диск действуют два вращающих момента M₁ и М₂, положительные направления которых противоположны.

 

 

F = ФI

 

 

 

Рис.23. Измерительный прибор индукционной системы:

а — схема устройства, б — магнитные потоки всердечниках; в - вихревые токи в диске; г - векторная диаграмма токов и магнитных потоков.

 

то есть электромагнитная сила взаимодействия между током и магнитным потоком, а следовательно и вращающий момент, про­порциональны произведению Ф₁. Так как в данном случае речь идет о величинах, изменяющихся синусоидально, то мгновенные значения вращающих моментов  

 

m₁=ф₂i₁, а m₂=ф₁i₂

 

Из-за инерционности диск не может следовать за быстрыми изменениями вращающих моментов, поэтому его отклонение пропорционально разности средних значений этих вращающих мо­ментов.

Из рисунка  21 следует, что среднее значение произведения двух синусоидальных величин пропорционально их действующим значениям и косинусу угла сдвига фаз между ними, то есть

 

М₁= Ф₂ I₁  cos α₁, а М₂ =  Ф₁ I₂ cos α₂,

 

где α₁ — угол сдвига фаз между потоком Ф₂ и вихревыми то­ками I₁

 α₂ — соответствующий угол между потоком Ф₁ и токами I_1.

В общем случае магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ не совпадают по фазе относительно друг друга на некоторый угол α. На векторной диаграмме (рис.  23, г) изображены магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ и токи, которые они индуктируют в диске. Эти токи отстают от магнитных потоков, их создавших, на угол 90°. Это объясняется тем, что диск — чисто активное сопротивление, поэтому токи в нем совпадают по фазе с э. д. с, а последние отстают от магнит­ных потоков, их создавших, на угол 90°  

Из этой диаграммы

Α₁ = 90 — α; α₃ = 90 + а,

поэтому

М₁ = Ф₂ I₁ cos (90 — α) = Ф₂ I₁ sin α,

a

М₂ = Ф₁ I₂ cos (90 + α) = Ф₁ I₂ (—1) sin α,

 так как

cos (90 — α) = sin α, a cos (90 + а) = — sin α.

Поскольку вихревые токи   I₁ == Ф_1,  a I₂ = Ф₂,

то

М₁ = Ф₂Ф₁ sin α, a М₂ = Ф₁Ф₂— 1) sin α,

или

М₁ = К₁ Ф₂ Ф₁ sin α, а М₂ = — К₂ Ф₁ Ф₂ sin α,

где К₁ и К₂ — коэффициенты пропорциональности,

Равнодействующий момент, действующий на диск,

М = М₁ -  М₂ = К₁Ф₂ Ф₁ sin α +К₂Ф₁Ф₂ sin α  =

Окончательно

                                            М = КФ₁Ф₂ sin α,                              (254)

 

где K—K₁+K₂—некоторый результирующий коэффициент про­порциональности;

α — угол сдвига фаз между рабочими магнитными потоками.

Из последнего уравнения следует, что вращающий момент действующий на диск, пропорционален синусу угла сдвига фаз между рабочими магнитными потоками Ф₁ и Ф₂ и достигает наи­большей величины при a = 90°, так как при этом sin α =l.

Так как магнитные поля у этих приборов сильные, то воздей­ствию внешних полей они практически не подвержены.

Вращающий момент у этих приборов достигает значительной величины, что позволяет подвижную их часть делать достаточно прочной и надежной в работе, но наличие стали вызывает увели­чение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов. Кроме того, показания их в значительной степени зависят от ча­стоты.

Для гашения колебаний подвижной системы этих приборов - используют магнитоиндукционные успокоители. Магнит успокои­теля располагают так, чтобы алюминиевый диск оказался между его полюсами. Поэтому всякое движение диска вызывает появле­ние в нем вихревых токов, которые, взаимодействуя с полем посто­янного магнита, оказывают сильное тормозящее действие и гасят колебания подвижной системы.

К достоинствам приборов индукционной системы относятся следующие:

1) возможность получения равномерной шкалы;

2) большой угол поворота подвижной части (до 270°);

3)  большой вращающий момент;

4) малая чувствительность к перегрузкам;

5)  малая чувствительность к воздействию внешних магнитных полей;

6)  большая прочность подвижной части и надежность в работе.

Недостатки этих приборов:

1) невысокая точность (не выше класса 1,0);

2)  сильная зависимость показаний от частоты и формы кривой тока;

3) зависимость показаний прибора от температуры;

4) относительно большая потребляемая мощность (до 10 вт).

 Механизмы индукционной системы используют в приборах, предназначенных для измерения мощности или энергии в цепях переменного тока.