A rel="nofollow"
|
Скачать 4.17 Mb.
|
|
Тема 3.2. Приборы электродинамической и ферродинамической системы Лекция 5 (2 часа) Приборы электродинамической и ферродинамической системы План лекции:
Цель занятия: Знать:
Уметь:
 Электродинамические и ферродинамические приборы основаны на принципе взаимодействия токов разных обмоток, из которых одна неподвижная, а другая может изменять свое положение относительно первой. К подвижной обмотке прибора электрическая энергия подводится спиральными пружинами или растяжками. Электродинамические и ферродинамические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и других электрических величин постоянного и переменного токов. Шкалы вольтметров и амперметров – неравномерные, а ваттметров – практически равномерные.
Электродинамические приборы обеспечивают наиболее высокую точность при измерениях в цепях переменного тока частотой до 20 кГц, однако они не выносят перегрузку, отличаются значительной мощностью потребления электрической энергии и на их показания влияют внешние магнитные поля. Для уменьшения этого влияния в приборах высокого класса точности применяют экранирование и астатическое построение измерительной системы. Стоимость электродинамических приборов высокая. Шкала электродинамических измерительных приборов часто бывает разделена на деления без указания значений этих делений в измеряемых единицах. В этом случае постоянную прибора, т. е. число измеряемых единиц, отвечающих одному делению шкалы, находят по формулам: для вольтметра
для амперметра
для ваттметра
где Uном и Iном – соответственно номинальные напряжение и ток прибора, αmax – полное число делений шкалы. В электродинамических амперметрах на номинальный ток до 0,5 А и вольтметрах обе обмотки прибора соединены между собой последовательно, а в амперметрах с пределами измерения свыше 0,5 А – параллельно. Расширение пределов измерения электродинамических амперметров обеспечивают разделением неподвижной обмотки на секции, что позволяет изменять диапазон измерений прибора вдвое, а также применением шунтов на постоянном токе и измерительных трансформаторов тока при измерениях в цепях переменного тока.  Рис. 5.1. Схемы включения однофазного ваттметра: а – непосредственно в сеть; б – через измерительные трансформаторы напряжения и тока Расширение пределов измерения электродинамических вольтметров достигается применением добавочных резисторов, а при измерениях в цепях переменного тока, кроме того, использованием измерительных трансформаторов напряжения. Среди электродинамических измерительных приборов наибольшее распространение получил ваттметр (рис. 5.1, а), у которого неподвижная обмотка с небольшим числом, витков толстой проволоки включена в цепь последовательно, а подвижная, соединенная со встроенным в корпус или с наружным добавочным резистором – параллельно тому участку цепи, в котором измеряют мощность. Для отклонения стрелки ваттметра в необходимом направлении следует соблюдать правила включения прибора: электрическая энергия должна поступать в прибор со стороны генераторных зажимов обмоток, которые отмечены на приборе знаком «*». На шкале каждого ваттметра приведены номинальные напряжение и ток, для которых предназначен прибор. При необходимости допускается в течение 2 часов напряжение и ток доводить до 120 % их номинальных значений. Некоторые электродинамические ваттметры имеют переключаемые пределы измерения, как по номинальному напряжению, так и по номинальному току, например 30/75/150/300 В и 2,5/5 А. Расширение шкалы электродинамических ваттметров по току осуществляют так же, как у электродинамических амперметров, а расширение шкалы по напряжению – аналогично электродинамическим вольтметрам. Если электродинамический ваттметр включен через измерительные трансформаторы напряжения и тока (рис. 5.1, б), измеряемую мощность находят по формуле
где Кu и KI – номинальные коэффициенты трансформации соответственно измерительных трансформаторов напряжения и тока; Cвт – постоянная ваттметра; α – число делений, отсчитанных по прибора. При включении электродинамического фазометра в цепь переменного тока (рис. 5.2) надо следить, чтобы провода, подводящие энергию к прибору, были присоединены к генераторным зажимам, отмеченным на приборе знаком «*». Такое непосредственное включение возможно, если напряжение сети соответствует номинальному напряжению фазометра, а ток нагрузки не превышает его номинального тока. Номинальное напряжение и ток фазометра приведены на его шкале, где также имеются обозначения: «ИНД» для части шкалы, соответствующей току, отстающему от напряжения, и «ЕМК» для части шкалы, отвечающей опережающему току. В том случае, если напряжение и ток цепи превышают соответствующие номинальные напряжение и ток фазометра, его необходимо включать через соответствующие измерительные трансформаторы напряжения и тока.  Рис. 5.2. Схема включения фазометра Самыми точными среди других подгрупп электромеханических преобразователей, применяемых в цепях переменном тока, являются электродинамические преобразователи. В настоящее время многие из них выпускаются с классами точности 0,05 и сохраняют свои показания при переходе с постоянного тока на переменный. Наиболее широкое применение электродинамические преобразователи находят в качестве ваттметров постоянного и переменного тока, амперметров постоянного и переменного токов, фазометров, частотомеров и фарадометров. Принцип действия электродинамических преобразователей основан на взаимодействии магнитных полей токов, протекающих по неподвижной и подвижной катушкам (или системам катушек). Электродинамический преобразователь, конструкция которого и схема соединения катушек приведены на рисунке 5.3, а, б соответственно, включает в себя в общем случае систему неподвижных и подвижных катушек, отсчетное устройство, упругие элементы у преобразователей с механическим противодействующим моментом, успокоитель и средства защиты от внешних магнитных полей.  а  б
Рис. 5.3. Электродинамический преобразователь Неподвижные катушки 1, как правило, выполняют из двух секций, разнесенных в пространстве. Это создает конструктивные удобства при размещении подвижной части и, кроме того, позволяет изменением расстояния между секциями изменять конфигурацию магнитного поля, что используется для линеаризации функции преобразования преобразователя. Выполняются неподвижные катушки, как правило, из медного провода. Подвижная катушка 2 выполняется из медного или алюминиевого провода и размещается внутри неподвижной. Токопроводящими проводниками подвижной катушки служат упругие элементы (спиральные пружины 3), создающие механический противодействующий момент, или безмоментные проводники в логометрах. По форме катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Первые из них более технологичны в производстве и имеют добротность на 15 – 20 % выше по сравнению с прямоугольными. Это повышает чувствительность преобразователя. Прямоугольные же катушки используются с целью уменьшения размеров прибора. Амперметры. В электродинамических амперметрах используются последовательное и параллельное включения подвижной 2 и неподвижной 1 катушек. Последовательное включение катушек (рисунок 5.4, а) применяется в амперметрах, предназначенных для измерения малых (до 0,5 А) токов. В этом случае токи I1 и I2 в неподвижной и подвижной катушках равны между собой и фазовый сдвиг между ними φ равен нулю, т.е. cos φ = 1. Выражение для уравнения шкалы для такого амперметра запишется следующим образом:
Шкала прибора в принципе является квадратичной, однако путем соответствующего выбора формы, размеров и взаимного расположения катушек можно добиться такого закона изменения взаимной индуктивности М1,2 при изменении угла поворота подвижной части α, что на участке шкалы начиная с 15 – 20 % от ее верхнего предела она будет иметь практически линейный характер.  Рис. 5.4. Амперметры на основе электродинамических преобразователей Ваттметры. В электродинамических ваттметрах подвижная и неподвижная катушки включаются независимо друг от друга (рис. 5.5). Фазометры. Электродинамические фазометры создаются на базе логометрического преобразователя. Электрическая схема фазометра показана на рис. 5.6, а.  Рис. 5.5. Ваттметры на основе электродинамического преобразователя Неподвижная катушка 5-6 преобразователя образует последовательную (токовую) цепь прибора. Подвижные катушки 1-2 и 3-4 образуют параллельную цепь. Последовательно с подвижной катушкой 3-4 включен резистор R1, имеющего активное сопротивление, а последовательно с катушкой 1-2 – комплексное индуктивное сопротивление, образованное резистором R и индуктивностью L . При такой схеме включения фазометра и индуктивном характере нагрузки ZH векторная диаграмма фазометра будет соответствовать рис. 5.6, б.  Рис. 5.6. Фазометр на основе электродинамического преобразователя Электродинамические фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги в пределах от 0 до 180° (чаще градуируются от +90 до –90° с нулем в середине шкалы). Промышленностью выпускаются фазометры с классами точности до 0,1. Достаточно высокая точность их обеспечивается благодаря достоинствам, присущим электродинамическим преобразователям. Основными недостатками рассмотренных фазометров является то, что они могут работать на фиксированных частотах и напряжениях. Изменение напряжения U требует изменения элементов схемы фазометра R и R1 (для выполнения условия I1 = I2), а значит, и характер шкалы прибора при этом изменится. Изменение частоты также приводит к изменению характера шкалы из-за изменения реактивного сопротивления цепи катушки 1-2, а значит, и соотношения токов I1 и I2.
 Рис. 5.7. Принципиальная схема ферродинамического частотомера Ферродинамические приборы аналогичны электродинамическим приборам, но отличаются от них усиленным магнитным полем неподвижной обмотки за счет магнитопровода из ферримагнитного материала, что увеличивает вращающий момент, повышает чувствительность, ослабляет влияние внешних магнитных полей и уменьшает мощность потребления электрической энергии. Точность ферродинамических измерительных приборов ниже точности электродинамических прибором. Они пригодны для использования в цепях переменного тока частотой от 10 Гц до 1,5 кГц.  Рис. 5.8. Схема включения частотомера: а – непосредственно в сеть; б – через добавочное сопротивление Ферродинамические частотомеры обычно включают в сеть переменного напряжения параллельно или через добавочное устройство ДУ (рис. 5.8, а, б), представляющее собой электрическую цепь с резисторами, индуктивными катушками и конденсаторами, находящимися в отдельном кожухе. При включении частотомера нужно проверять соответствие напряжения сети номинальному напряжению прибора, которое указано на его шкале. Изготовляют также ферродинамические частотомеры без добавочных устройств на несколько номинальных напряжений, каждому из которых соответствуют определенный зажим прибора и общий зажим, отмеченный знаком «*». Вопросы и задачи самопроверки:
Задачи:
Тема 3.3. Индукционные приборы Лекция 6 (2 часа) Приборы индукционной системы План лекции:
Цель занятия: Знать:
Уметь:
Принцип действия индукционных приборов поясним на упрощенной схеме устройства однофазного счетчика переменного тока (рис, 6.1, а-в). Основными элементами прибора являются: трехстержневой электромагнит 1 с обмоткой 2, имеющей большое число витков из тонкой проволоки: П-образный электромагнит 3 с обмоткой 4, имеющей небольшое число витков из толстой проволоки; алюминиевый диск 5, который может вращаться вокруг оси 6. Обмотка 2 включается параллельно измеряемой цепи, а обмотка 4 – последовательно с этой цепью. Ток I1 в катушке 4 образует магнитный поток Ф1, который дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I2 в обмотке 2 создает магнитный поток, часть которою Ф2 также пронизывает диск 5 (поток Ф2 замыкается по стальной скобе 7). Ток I1 и напряжение U сдвинуты по фазе на угол φ, значение которого определяется характером нагрузки, присоединенной к линии Л. Ток I2 благодаря большой индуктивности обмотки 2 отстает по фазе от напряжения U на угол, близкий к 90°. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 совпадают по фазе с вызвавшими их токами I1 и I2 (рис. 6.1, г). Поток Ф1 пропорционален току нагрузки I1, а поток Ф2 – напряжению сети.
Рис. 6.1. Устройство электроизмерительного прибора индукционной системы (а, б, в); векторная диаграмма, поясняющая принцип действия прибора (г) Переменные потоки Ф1 и Ф2 индуктируют в алюминиевом диске ЭДС E1 и Е2, отстающие по фазе от этих потоков на 90°. ЭДС Е1 и Е2 вызывают в диске токи Iд1 и Iд2, которые можно считать совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС. Примерная картина распределения токов в диске показана на рис. 6.1, б. Мгновенное значение силы Fэм, действующей на элемент диска с током iд, равно Fэм = kФiд = kФm sin ωt – Iдm sin (ωt + ψ). Из векторной диаграммы видно, что углы между потоком Ф1 и током Iд1 и между потоком Ф2 и током Iд2 равны 90°, угол между потоком Ф1 и током Iд2 составляет (180° – φ), а угол между потоком Ф2 и током Iд1 равен φ. Учитывая это, находим, что силы взаимодействия магнитных потоков Ф1 и Ф2 с токами Iд1 и Iд2 создают результирующий момент, вращающий диск: Мвр = С1Ф1Iд2 cos (180° – φ) + С2Ф2Iд1 cos φ = С'Ф1Ф2 cos (180° – φ) + + С'Ф1Ф2cos φ = CUI1 cos φ = CP, где С', C1, C2 – коэффициенты пропорциональности; Р – активная мощность, потребляемая нагрузкой. Вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален мощности Р. Для создания противодействующего момента предусмотрен постоянный магнит 8 (рис 6.1, а и б). При вращении диска поле постоянного магнита индуктирует в нем вихревые токи, которые в соответствии с законом Ленца противодействуют вращению диска. Поскольку значение вихревых токов пропорционально частоте вращения диска n, противодействующий момент также пропорционален n: Mпр = C0n. Величина W/N = C0/C называется постоянной счетчика и представляет собой электрическую энергию, соответствующую одному обороту диска. Счетчик снабжается счетным механизмом, связанным червячной передачей с осью диска. Измеряемая счетчиком энергия отсчитывается по показаниям счетного механизма. |
