Магнитоэлектрические приборы

Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).

Измерительный механизм. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и поля катушки с током. Применяют механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой.

На рис. 6.4 показано устройство магнитоэлектрического измерительного механизма с подвижной катушкой, где 1 – постоян­ный магнит, 2 – магнитопровод, 3 – полюсные наконечники, 4 – неподвижный сердечник, 5 – спиральная пружинка, 6 – подвижная катушка, 7 – указатель. Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пружинки. При протекании тока i через подвижную катушку возникает вращающий момент, мгновенное значение которого определяется выражением (6.1).

Рисунок 6.4

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой, , где  – потокосцепление подвижной катушки; B – индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; s – площадь катушки; w – число витков обмотки катушки;  – угол поворота катушки. Мгновенный вращающий момент

Если ток синусоидальный (), то вращающий момент . При этом в соответствии с (6.8) работа механизма зависит от соотношения частоты тока  и частоты собственных колебаний подвижной части механизма . У измерительных механизмов магнитоэлектрических амперметров, вольтметров, омметров период собственных (свободных) колебаний подвижной части примерно одна секунда. Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причем максимальное откло­нение зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока  вращающий момент

.                                                           (6.9)

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то, используя соотношения (6.3), (6.4) и (6.9), получим

,                                              (6.10)

где  — чувствительность измерительного механизма к току.

Из выражения (6.10) следует, что при постоянной индукции В в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

В измерительном механизме некоторых магнитоэлектрических приборов устанавливается магнитный шунт в виде пластины из ферромагнитного материала, с помощью которого может изменяться индукция в воздушном зазоре, что позволяет регулировать чувствительность механизма (в омметрах) или изменять внешнее критическое сопротивление (в гальванометрах).

В магнитоэлектрических логометрических измерительных механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, по обмоткам которых протекают токи I ₁ и I ₂. Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента. Моменты М ₁ и М ₂, создаваемые взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов катушек, направлены навстречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным. В этом случае при равенстве моментов , откуда получаем

.                                              (6.11)

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в цепи катушки и в ее дюралюминиевом каркасе при перемещении, и поля постоянного магнита.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную номинальную статическую характеристику преобразования  = f (I), что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов. На эти механизмы не влияют электрические поля и мало влияют магнитные поля из-за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2 -1,2 Тл). Однако эти механизмы имеют малую перегрузочную способность по току (обычно перегорают токоподводы), относительно сложны и дороги. Недостаток их также в том, что обычные механизмы реагируют только на постоянный ток.

Амперметры и вольтметры. В магнитоэлектрических амперметрах измерительный механизм включается в цепь измеряемого тока либо непосредственно, либо при помощи шунта. Непосредственное включение применяется при измерении малых токов (до 30 мА), допустимых для токоподводов (пружинок, растяжек) и обмотки подвижной катушки механизма. При больших токах применяют шунты.

Изменение окружающей температуры влияет на магнитоэлектрический прибор следующим образом:

1. При повышении температуры удельный противодействующий момент пружинок (или растяжек) уменьшается на 0,2 – 0,4 % на каждые 10 К; магнитный поток постоянного магнита, а следовательно и индукция в зазоре, уменьшаются приблизительно на 0,2 % на каждые 10 К, т.е. эти явления оказывают противоположное влияние на показания прибора и потому в приборах малой и средней точности могут не учитываться.

 2. Изменяется электрическое сопротивление обмотки катушки и токоподводов. Это влияние - основной источник температурной погрешности магнитоэлектрических приборов.

Амперметры без шунта не имеют температурной погрешности, так как их показания всегда определяются током, протекающим через амперметры. В амперметрах с шунтом температурная погрешность может оказаться значительной вследствие перераспределения токов между шунтом и подвижной катушкой. Для ее уменьшения применяют специальные цепи температурной компенсации, например, температурная погрешность снижается за счет включения последовательно с подвижной катушкой резистора из манганина, имеющего температурный коэффициент, близкий к нулю.

В многопредельных амперметрах для изменения пределов измерения применяют многопредельные шунты. Такие амперметры снабжают переключателями диапазонов измерений или несколькими входными зажимами.

В магнитоэлектрических вольтметрах для получения нужного диапазона измерений последовательно с измерительным механизмом включают добавочный резистор стабильного сопротивления, выполненный из манганина.

Влияние температуры на магнитоэлектрический вольтметр зависит от соотношения сопротивления катушки и добавочного резистора, а также от температурных коэффициентов электрического сопротивления их.

В многопредельных вольтметрах используют несколько добавочных резисторов. Поэтому такие вольтметры снабжают переключателем диапазонов или несколькими входными зажимами. Пропорциональная зависимость угла отклонения подвижной части от тока в катушке приводит к равномерной шкале у магнитоэлектрических амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1–0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и часто комбинированными (вольтамперметрами). Щитовые приборы выпускают однопредельными классов точности 0,5–5. Амперметры выпускают с верхним пределом измерений от 10  до 7, 10³ А; вольтметры с верхним пределом измерений от 0, 10^-3 до 10³ В.

Омметры. На основе магнитоэлектрического измерительного механизма выпускают магнитоэлектрические омметры: с последовательным включением механизма и измеряемого сопротивления, с параллельным включением и с логометрическим измерительным механизмом.

Рисунок 6.5

 

При последовательном включении измерительного механизма с измеряемым сопротивлением Rx (рис. 6.5, а) угол отклонения подвижной части измерительного механизма , a при параллельном включении (рис. 6.5, б)  где – чувствительность измерительного механизма к току; U – напряжение источника питания. При U =const в обоих случаях угол отклонения  определяется значением . Из выражений для  следует, что шкалы омметров неравномерны. При последовательном включении максимальному углу отклонения подвижной части соответствует нулевое значение измеряемого сопротивления. Омметры с последовательным включением более пригодны для измерения больших сопротивлений, а с параллельным – малых. Обычно эти омметры выполняют в виде переносных приборов классов точности 1,5 и 2,5. При питании омметра сухими батареями, у которых напряжение изменяется со временем, путем изменения индукции в зазоре с помощью магнитного шунта поддерживают. const.

Находят применение омметры с логометрическим измерительным механизмом (рис. 6.6), где 1 и 2 - катушки логометра, обладающие сопротивлением R ₁ и R ₂; R _Н и R _Д — резисторы. Согласно выражению (6.11) , т. е. угол отклонения определяется значением Rx и не зависит от напряжения питания.

Рисунок 6.6

Для измерения больших сопротивлений, например, сопротивления изоляции, используют омметры, называемые мегомметрами, питание в которых осуществляется от встроенного генератора с ручным приводом.

Гальванометры. Гальванометром называют прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. Гальванометры широко применяют в качестве нуль-индикаторов, а также для измерения малых токов, напряжений и количества электричества. В последнем случае гальванометр называют баллистическим.

Высокая чувствительность гальванометров достигается, главным образом, путем уменьшения противодействующего момента и использования светового указателя с большой длиной светового луча.

Гальванометры бывают переносные и стационарные. Переносные гальванометры имеют встроенную шкалу. У стационарных гальванометров шкалу устанавливают на некотором расстоянии от прибора. Чувствительность стационарного гальванометра зависит от расстояния между зеркальцем гальванометра и шкалой. Принято выражать чувствительность и постоянную стационарного гальванометра для расстояния, равного 1 м, например, 1,2· 10^-6А·м/мм. Для переносных гальванометров указывают постоянную гальванометра или цену деления, например, 1 деление – 10^-6 А. Стандарт на гальванометры допускает отклонение постоянной (или цены деления) от указанной на ±10%.

В переносных магнитоэлектрических гальванометрах подвижная часть подвешивается на растяжках, а в стационарных – на подвесе. В последнем случае подвод тока к обмотке катушки осуществляется посредством подвеса и металлической ленты, практически не создающей момента. Для осуществления оптического отсчета на подвижной катушке укрепляется миниатюрное зеркало.

Важной характеристикой гальванометра является постоянство нулевого положения указателя, которое характеризуется невозвращением указателя к нулевой отметке при возвращении указателя от крайней отметки шкалы. По этой характеристике гальванометрам присваивают разряд постоянства, условное обозначение которого состоит из числа, заключенного в ромб.

Обычно гальванометр имеет корректор для установки нулевого положения указателя. Гальванометры с подвижной частью на подвесе снабжают арретиром для фиксации подвижной части, например, при переноске прибора.

Ввиду высокой чувствительности гальванометров к различным воздействиям необходимо защищать их от помех. Так, от механических сотрясений гальванометры защищают, устанавливая их на капитальную стену. Для защиты от токов утечки гальванометры снабжают заземленным экраном.

Стационарные гальванометры обычно снабжают магнитным шунтом. Регулируя положение шунта, можно менять чувствительность гальванометра и внешнее критическое сопротивление. Внешним критическим сопротивлением гальванометра называют наибольшее сопротивление внешней цепи, на которое замкнута катушка гальванометра и при котором подвижная часть гальванометра во время переходного процесса движется апериодически, но наиболее ускоренно.

Этот режим получается при равенстве внешнего критического сопротивления R _вн.кр  и сопротивления цепи, на которую замкнут гальванометр. Регулируя индукцию В, можно регулировать R _вн.кр., делая его равным сопротивлению внешней цепи. Изменение индукции, а следовательно и изменение внешнего критического сопротивления, производят с помощью магнитного шунта.

Промышленность выпускает гальванометры, различающиеся чувствительностью, внешним критическим сопротивлением и другими параметрами.

Баллистические гальванометры. Гальванометры, предназначенные для измерения количества электричества импульса тока и отличающиеся увеличенным моментом инерции, называют баллистическими.

Если длительность импульса тока очень мала по сравнению с временем реакции подвижной части гальванометра, то первый наибольший угол отклонения подвижной части баллистического гальванометра пропорционален количеству электричества, прошедшему через гальванометр, т.е.   или , где S _Q и C _Q - баллистическая чувствительность и баллистическая постоянная гальванометра.

Для баллистических гальванометров период собственных колебаний T ₀ составляет десятки секунд (для обычных гальванометров - единицы секунд).

Кулонметры. Кулонметры – приборы для измерения количества электричества в импульсе тока. В этих приборах используется магнитоэлектрический измерительный механизм без противодействующего момента. Подвод тока к подвижной катушке у осуществляется посредством безмоментных токоподводов. Обмотка катушки наматывается на алюминиевый каркас, в котором при движении катушки появляется ток, создающий момент успокоения. Анализ показывает, что под действием импульса тока подвижная часть поворачивается на угол , а указатель перемещается на l делений, причем l = S _Q Q, где S _Q - чувствительность кулонметра к заряду; Q - количество электричества в импульсе тока. Возвращение подвижной части в начальное положение производится пропусканием через катушку тока обратного направления от дополнительного источника.

Промышленность выпускает несколько типов кулонметров с различными диапазонами измерений и приведенной погрешностью, не превышающей ±5 %.

Для измерения количества электричества, протекающего в течение длительного времени, используют счетчики ампер-часов. Магнитоэлектрические счетчики ампер-часов представляют собой электрические двигатели специальной конструкции со счетным механизмом, у которых частота вращения подвижной части пропорциональна току, а число оборотов за определенный интервал времени соответствует количеству электричества за этот интервал. Выпускаются два типа магнитоэлектрических счетчиков ампер-часов (СА-М640 и СА-М640У), класс точности 0,5. Находят применение также кулонметры, основанные на других принципах, и, в частности, электролитические кулонметры (XI 5; Х602А).

Вибрационные гальванометры. Вибрационные гальванометры применяют в качестве нулевых индикаторов в цепях переменного тока при частотах от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Наибольшее применение нашли вибрационные гальванометры с подвижным магнитом, расположенным между полюсами электромагнита, обмотка которого включена в цепь измеряемого переменного тока. При отсутствии тока в обмотке электромагнита подвижный магнит неподвижен и на шкале видна узкая световая полоса. При наличии переменного тока в обмотке электромагнита подвижный магнит начинает колебаться с амплитудой, зависящей от тока. На шкале при этом появляется световая полоса, ширина которой пропорциональна значению измеряемого тока. Наибольшая чувствительность у вибрационного гальванометра наблюдается в режиме резонанса, т. е. когда частота измеряемого тока равна частоте собственных колебаний. Эти гальванометры снабжают устройством, позволяющим настраивать подвижную часть в резонанс.

Электродинамические и ферродинамические приборы. Электродинамические (ферродинамические) приборы состоят из электродинамического (ферродинамического) измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока. Вращающий момент в электродинамических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижной катушек с токами.

Электромагнитные приборы. Электромагнитные приборы состоят из электромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Из-за относительно низкой стоимости и удовлетворительных характеристик электромагнитные приборы составляют большую часть всего парка щитовых приборов. Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или не­скольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В настоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом. Пример электромагнитного прибора с плоской катушкой представлен на рисунке 6.7.

 

Рисунок 6.7

 

Электростатические приборы. Основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством. Они применяются, главным образом, для измерения |напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению. Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной.

Индукционные приборы. Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска. В настоящее время из индукционных приборов находят применение счетчики электрической энергии в цепях переменного тока.

 

Счетчики электрической энергии. Устройство и схема включения индукционного счетчика показаны на рис. 6.7, где 1 – трехстержневой магнитопровод с обмоткой напряжения; 2 – счетный механизм; 3 –алюминиевый диск, укрепленный на оси; 4 – постоянный магнит для создания тормозного момента; 5 – П-образный магнитопровод с токовой обмоткой.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что вращающий момент пропорционален мощности переменного тока, т. е. 

,

где – постоянный коэффициент.

На подвижную часть счетчика (алюминиевый диск) действует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения диска. Этот момент создается в результате действия тока, наводимого во вращающемся между полюсами постоянного магнита диске, и определяется выражением

,

где  – постоянный коэффициент;  – скорость вращения диска.

Приравнивая вращающий и тормозной моменты, получим

.

Число оборотов диска за время  измерения энергии определяется интегралом по времени от скорости вращения диска , т.е.

,

где  – постоянная счетчика; – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени .

 

 

Рисунок 6.8

 

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма –счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт-ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение называется передаточным числом . Величину, обратную передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называют номинальной постоянной . Значения  и  зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

Под действительной постоянной счетчика  понимают количество энергии, действительно прошедшей через счетчик за один оборот подвижной части. Действительная постоянная в отличие от номинальной зависит от тока нагрузки, а также от внешних условий (температуры, частоты и т. д.). Зная  и  , можно определить относительную погрешность счетчика

,

где W ΄ — энергия, измеренная счетчиком, a W — действительное значение энергии, прошедшей через счетчик.

Счетчики активной энергии выпускают классов точности 0,5;1,0; 2; 2,5; счетчики реактивной энергии – 1,5; 2 и 3. Класс точности нормирует относительную основную погрешность и другие характеристики.

Государственным стандартом устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика, определяемый выражени­ем , где  – минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться;  – номинальное для счетчика значение тока в токовой обмотке. При этом напряжение и частота тока в цепи должны быть номинальными, a . Согласно ГОСТ 6570—75 порог чувствительности не должен превышать 0,4 % — для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % — для классов 1,0; 1,5 и 2. Для счетчиков реактивной энергии классов 2,5 и 3 значение AS должно быть не более 1 %.

Вращение диска при отсутствии тока в нагрузке и при наличии напряжения в параллельной цепи счетчика называют самоходом. Согласно ГОСТ 6570—75 самохода не должно быть при любом напряжении от 80 до 110 % номинального.

Погрешность счетчика зависит от режима его работы, поэтому государственным стандартом нормируется разная относительная погрешность при различных нагрузках.

Под действием внешних факторов у счетчика появляются дополнительные погрешности, также нормируемые государственным стандартом. Дополнительные погрешности возникают вследствие искажения формы кривой тока и напряжения, колебаний напряжения и частоты, резкого перепада мощности, потребляемой нагрузкой, и некоторыми другими факторами. 

Кроме однофазных индукционных счетчиков, промышленность выпускает также трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики представляют собой как бы три (трехэлементные) или два (двухэлементные) счетчика, объединенные одной осью вращения. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных трехфазных цепях, а трехэлементные - в четырехпроводных цепях.