Тема 3.1. Приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем
Лекция 4 (2 часа)
Приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем
План лекции:
Электрические измерения и приборы.
Системы электроизмерительных приборов непосредственной оценки.
Приборы магнитоэлектрической системы.
Приборы электромагнитной системы.
Цель занятия:
Знать:
электроизмерительные приборы;
системы электроизмерительных приборов непосредственной оценки;
приборы магнитоэлектрической системы;
достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической системы;
приборы электромагнитной системы;
достоинства и недостатки приборов электромагнитной системы.
Уметь:
различать приборы высокой чувствительности и точности;
правильно включать в схему приборы магнитоэлектрической системы;
сравнивать приборы магнитоэлектрической и электромагнитной системы.
Электрические измерения и приборы
Для наблюдения за режимом работы электрооборудования и учета электроэнергии, вырабатываемой генераторами и потребляемой приемниками, в электрические цепи включают различные измерительные приборы. Эти приборы измеряют ток, напряжение, мощность, cos φ, частоту, электрическую энергию и т. д. Некоторые электроизмерительные приборы применяют для определения состояния электрооборудования (контроль изоляции, измерение сопротивлений).
Приборы для электрических измерений отличаются высокой чувствительностью, большой точностью, простотой и надежностью. Благодаря этому электроизмерительные приборы в настоящее время используют для измерения многих неэлектрических величин (например, измерения деформации изделия, его толщины, температуры и т. п.), для контроля и автоматизации различных производственных процессов, а также при экспериментальных исследованиях в различных отраслях науки и техники.
Системы электроизмерительных приборов непосредственной оценки
В электротехнической практике наиболее широкое распространение получили измерительные приборы непосредственной оценки (прямого отсчета).
В электроизмерительном приборе этого типа независимо от назначения и принципа действия имеются электрические цепи и измерительный механизм. В простейшем приборе, например в амперметре, катушка его включается последовательно в ветвь электрической цепи, где необходимо измерить ток. В более сложных приборах измерительные цепи содержат кроме катушек конденсаторы, резисторы и т. п.
Приборы магнитоэлектрической системы
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 4.1) основан на взаимодействии проводника с током (рамка 3) с магнитным полем постоянного тока М.
Подковообразный постоянный магнит М стальные полосные наконечники N и S, стальной цилиндр 2 образуют магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). Благодаря форме полюсных наконечников в большей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создается радиально направленное однородное магнитное поле, в котором может поворачиваться подвижная рамка 3. Рамку прибора (обмотку) чаще всего выполняют из изолированного провода на легком алюминиевом каркасе, укрепленном на двух полуосях. Измеряемый ток проходит в рамку через токоведущие спиральные пружины 5, служащие одновременно и для создания противодействующего момента.
Рис. 4.1. Устройство электроизмерительного прибора
магнитоэлектрической системы
При протекании тока по рамке на ее стороны, находящиеся в воздушном зазоре, действует пара сил, (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создающая вращающий момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение – по закону Ампера:
-
-
-
-
-
-
где В – магнитная индукция в зазоре, ℓ – длина активной стороны рамки, I – сила тока в рамке, w – число витков рамки, β – угол между плоскостью рамки и вектором индукции в воздушном зазоре.
Благодаря тому, что магнитное поле в рабочем зазоре радиальное (β = 1), то момент этой пары сил (вращающий момент) равен
-
-
-
-
-
-
Мвр = Fd = B ℓ I w d
|
(4.2.)
|
где d – ширина рамки, являющаяся плечом пары. Так как величины B, ℓ, w и d для данного прибора постоянные, то их произведение дает также постоянную величину, которую обозначим через k1:
-
-
-
-
-
-
-
Тогда
-
-
-
-
-
-
-
Под действием этого вращающего момента рамка поворачивается, закручивая (или раскручивая) спиральные пружины, создающие противодействующий момент
-
-
-
-
-
-
-
где k2 – постоянная, характеризующая жесткость пружин, α – угол поворота оси со стрелкой. Очевидно, что рамка будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь с углом поворота, не окажется равным вращающему, т.е.
-
-
-
-
-
-
-
откуда
-
-
-
-
-
-
-
k1
α = ── I = k1 I k2
|
(4.7.)
|
где k1/ k2 = k – постоянная данного прибора по току.
Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерная. Механизм магнитоэлектрического прибора может быть использован для устройства гальванометра, амперметра и вольтметра. Ток, проходя по обмотке рамки, создает напряжение U = IR, равное приложенному, тогда
-
-
-
-
-
-
U
α = k I = k ── = с U
R
|
(4.8.)
|
где с = k/R – постоянная прибора по напряжению.
Из последнего соотношения следует, что магнитоэлектрический механизм можно использовать для изготовления вольтметра. В этом случае сопротивление рамки должно быть достаточно большим с тем, чтобы прибор можно было включить параллельно нагрузки. Однако для этого пришлось бы рамку делать из большего числа витков тонкой проволоки (а для амперметра – из небольшого числа витков толстой проволоки). Как в том, так и в другом случае рамка получилась бы тяжелой, а прибор – грубым. На практики рамки амперметров и вольтметров не имеют принципиального различия. В первом случае рамку шунтируют, а во втором – последовательно с ней включают добавочное гасящее сопротивление.
Принцип градуирования магнитоэлектрического прибора в качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимости между током в рамке и приложенным к ней измеряемым напряжением.
Для переменных токов эти приборы без дополнительных устройств – выпрямителей – непригодны, так как направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока в рамке. Следовательно, в цепи переменного тока подвижная часть прибора ничего не покажет. Поэтому, если нулевое деление шкалы находится не в ее середине, а на левом краю, то около зажимов прибора ставят знаки «+» и «–» , к которым следует подключать провода соответствующей полярности. При неправильном включении такого прибора стрелка упирается в ограничитель, стремясь уйти в противоположную сторону за нулевое деление шкалы.
Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас, на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нем индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная система прибора быстро успокаивается.
Изменения температуры окружающей среды могут влиять на изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства приблизительно компенсируют друг друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т.е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение упругости пружин примерно настолько же уменьшает противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из-за изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на показаниях вольтметров. У вольтметра сопротивление рамки значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора почти не изменяется.
Для устранения температурной погрешности в некоторых приборах применяют специальные схемы, так называемой температурной компенсации.
К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся:
равномерная шкала;
большая точность при малой чувствительности;
высокая чувствительность при малой точности (гальванометр);
малая чувствительность к внешним магнитным полям;
малое потребление энергии.
Недостатками таких приборов являются:
пригодность только для постоянных токов (без выпрямителей);
большая чувствительность к перегрузкам;
сравнительно высокая стоимость.
Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи переменного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили выпрямительная и термоэлектрическая системы.
На рис. 4.2, а показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором выпрямительной системы.
Измерительный прибор включен в диагональ АВ моста, собранного из четырех выпрямительных полупроводниковых элементов. При переменном токе в диагонали АВ возникает пульсирующий ток, не меняющий своего направления. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, создает изменяющийся по значению, но действующий в одном направлении вращающий момент, пропорциональный току I.
Рис. 4.2. Схемы включения магнитоэлектрических приборов выпрямительной (а) и термоэлектрической (б) систем в цепь переменного тока
Отклонение стрелки прибора пропорционально среднему значению вращающего момента за период, а, следовательно, среднему значению тока. Если в цепи действует синусоидальный ток, то шкалу прибора можно отградуировать в действующих значениях тока, поскольку между средним и действующим значениями тока существует определенное соотношение. При отклонении формы кривой тока от синусоиды правильное измерение действующих значений при указанной выше градуировке шкалы оказывается невозможным.
В приборах термоэлектрической системы в качестве преобразователя используется термопара 1. Измерительный прибор 2 соединен со свободными концами термопары, а рабочие концы, образующие ее горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагpeвательного элемента 3 (рис. 4.2, б).
Количество теплоты Q, выделяемой в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока. Температура нагрева горячего спая термопары и ее ЭДС находятся в прямой зависимости от Q. В связи с этим отклонение стрелки измерительною прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.
Вольтметры и амперметры выпрямительной и термоэлектрической системы применяются для измерений в цепях переменного тока как промышленный ток и повышенных частот.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, незначительное потребление мощности, равномерность шкалы. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5' из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).
Приборы электромагнитной системы
Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора – обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 4.3).
Подвижный элемент – стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, – эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол α.
Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сердечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной индукции В в сердечнике. Приближенно можно принять, что сила F, a следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке: Mвр = CI2.
|
Рис. 4.3. Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы
|
Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу α. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной. Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.
Достоинства проборов электромагнитной системы:
простота конструкции, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока;
надежность в эксплуатации.
К недостаткам относятся:
неравномерность шкалы;
влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его магнитная индукция невелика.
Рис. 4.4. Устройство астатического прибора электромагнитной системы
Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах на оси подвижной части (рис 4.4) укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно. Направление намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф1 и Ф2 направлены в противоположные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно Мпр1 + Мпр2 = Мпр. Постороннее магнитное поле Фвн ослабляет поток Ф1, нo усиливает поток Ф2 . В результате общий вращающий момент Мвр остается неизменным и зависит от измеряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.
Вопросы и задачи самопроверки:
Поясните принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.
Могут ли приборы магнитоэлектрической системы употреблять для измерения переменного тока?
Можно ли считать, что абсолютная погрешность одинакова в любом месте шкалы прибора?
Почему у приборов магнитоэлектрической системы равномерная шкала, а у приборов электромагнитной системы – неравномерная?
На чем основан принцип действия приборов магнитоэлектрической системы?
Какие приборы называются астатическими?
Перечислите достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов.
Как обозначаются магнитоэлектрические приборы?
На чем основан принцип действия приборов электромагнитной системы?
Перечислите достоинства и недостатки электромагнитных приборов.
Как обозначаются электромагнитные приборы?
Приборы, каких систем можно использовать для измерения постоянного тока и напряжения?
Объясните принцип действия термоэлектрического преобразователя.
В чем проявляется воздействие на участок цепи подключенного к нему стрелочного вольтметра магнитоэлектрического типа?
Объясните назначение и принцип функционирования термо- и частотной компенсации в магнитоэлектрическом вольтметре.
Почему при использовании приборов магнитоэлектрического типа следует соблюдать правильную полярность их подключения?
В чем состоит преимущество использования схемы двухполупериодного выпрямления в амперметре на основе магнитоэлектрического измерительного прибора?
Задачи:
Магнитоэлектрический прибор имеет номинальное значение напряжения U = 75mB и номинальный ток 5mА. Подсчитайте значения добавочных сопротивлений к прибору для расширения предела измерения до 3 В и 16 В. Начертите схему полученного многопредельного вольтметра и подсчитайте мощности, которые будут потребляться им при работе на каждом из пределов измерения.
Магнитоэлектрический прибор имеет номинальное значение напряжения U = 75mB и номинальный ток 5mА. Подсчитайте значения добавочных сопротивлений к прибору для расширения предела измерения до 100 В и 150 В. Начертите схему полученного многопредельного вольтметра и подсчитайте мощности, которые будут потребляться им при работе на каждом из пределов измерения.
Шкала миллиамперметра магнитоэлектрической системы, с сопротивлением R = 20 Ом разбита на 150 делений, цена деления 0,2 mА/дел. Определить сопротивление шунта миллиамперметра, если этим прибором необходимо измерить ток в 15 А.
Шкала миллиамперметра магнитоэлектрической системы, с сопротивлением R = 20 ОМ разбита на 150 делений, цена деления 0,2 mА/дел. Определить величину добавочного сопротивления для измерения этим прибором напряжения 150 В. Составить схему прибора.
Каким образом, используя милливольтметр на 1 mВ с внутренним сопротивлением R = 20 Ом можно измерить напряжение 30 и 150 В. Приведите схему прибора и определите потребляемую мощность для обоих пределов измерения при полном отклонении подвижной части.
Каким образом, используя милливольтметр на 1 mВ с внутренним сопротивлением R = 20 Ом можно измерить напряжение 50 и 100 В. Приведите схему прибора и определите потребляемую мощность для обоих пределов измерения при полном отклонении подвижной части.
Рассчитать секции добавочного резистора к прибору на 20 mВ с внутренним сопротивлением 10 Ом, чтобы им можно было измерить напряжения 50 и 100 В. Начертить схему двухпредельного вольтметра.
Рассчитать секции добавочного резистора к прибору на 20 mВ с внутренним сопротивлением 10 Ом, чтобы им можно было измерить напряжения 100 В и 300 В. Начертить схему двухпредельного вольтметра.
Рассчитать секции добавочного резистора к прибору с током полного отклонения 5 mА и внутренним сопротивлением 2 Ом, для измерения им напряжения 300 В, 500 В, 700 В. Начертить схему трехпредельного вольтметра.
Рассчитать величину добавочного сопротивления к прибору с током полного отклонения 5 mА и внутренним сопротивлением 2 Ом, для измерения им напряжения 50 В,100 В, 500 В. Начертить схему трехпредельного вольтметра.
Магнитоэлектрический механизм на напряжение 150 В имеет внутреннее сопротивление 10 Ом и используется для измерения тока 450 А. Определить сопротивление и размеры шунта из манганина (rманг = 0,42 Ом · мм2/м) при допустимой плотности тока 4 А/ мм2. Начертить схему включения прибора с шунтом.
Амперметр на 1 А имеет сопротивление 4,5 Ом. Какой ток может измерить этот прибор с подключением к нему шунта 0,15 Ом? Определить размеры шунта из манганина (ρманг = 0,42 Ом · мм2/м) при допустимой плотности тока 4 А/ мм2. Начертить схему включения прибора с шунтом.
Рассчитать сопротивление шунта для расширения пределов измерения магнитоэлектрического прибора с током полного отклонения 50 А и внутренним сопротивлением 5 Ом до 150 А. Определить размеры шунта из манганина (ρманг = 0,42 Ом · мм2/м), если допустимая плотность тока 4 А/ мм2.
Вольтметр на 50 В снабжен добавочными резисторами, позволяющими расширять пределы измерения 5, 20 и 50 раз. Номинальный ток прибора 0,5 А. Определить пределы измерений прибора и величины секций добавочных резисторов. Начертить схему трехпредельного вольтметра.
По схеме амперметра и вольтметра измеряется сопротивление нагрузки Rн. Приняв за измеренное значение сопротивление, найденное по закону Ома, определить схему с меньшей погрешностью, если известно, что ток нагрузки Iн = 7 А, Uн = 182 В, сопротивление вольтметра Rv = 15 кОм, сопротивление амперметра RА = 0,02 Ом.
|
