Приборы электродинамической системы

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии проводников с токами. Известно, что два проводника с токами взаимно притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и взаимно отталкиваются при различном направлении токов.

Прибор этой системы (рис. 9.7) состоит из двух катушек: неподвижной 2, состоящей из двух секций, которые соединены между собой последовательно, и подвижной 3, закрепленной на оси и вращающейся на ней внутри неподвижной катушки. Ток к подвижной катушке подводят через закрепленные на оси спиральные пружинки 1, которые одновременно создают противодействующий момент М_пр, пропорциональный углу закручивания α. При этом пружинки электрически изолированы от оси, На оси подвижной катушки закреплены также указательная стрелка 4 и крыло воздушного успокоителя 5. Для повышения класса точности прибора и его чувствительности обмотку подвижной катушки выполняют из тонкой изолированной проволоки на ток не более 0,5 А.

При прохождении токов по катушкам электродинамического прибора ток подвижной катушки I₂ взаимодействует с магнитным потоком Ф₁, созданным током I₁ неподвижной катушки, т. е. создается вращающий момент M_вр. Вращающий момент определяют через изменение энергии магнитного поля при повороте его подвижной части, т. е. согласно выражению М_вр = ∂W_M/∂α.. При перемещении подвижной катушки изме-няются энергия магнитного поля и, следовательно, взаимная индуктив-
ность М катушек. Энергия магнитного поля взаимной индуктивности

(9.13)

Подставляя в выражение вращающего момента значение W_M из (9.13) и считая токи подвижной I₂ и неподвижной I₁ катушек неизменными, получают общее выражение вращающего момента для электродинамических приборов:

(9.14)

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий мо-мент, пропорционален углу перемещения подвижной части прибора: М_пр = = Кα. При установившемся состоянии подвижной части прибора, когда вращающий момент равен противодействующему, имеем М_вр = M_пр или I₁I₂∂M/∂α = Кα. Из этого выражения находят зависимость для угла перемещения подвижной части прибора:

(9.15)

Из (9.15) следует, что угол поворота подвижной части электродина-мического прибора пропорционален произведению токов в его катушках и изменению их взаимной индуктивности при повороте подвижной части прибора ∂М/∂α. На характер изменения взаимной индуктивности можно воздействовать путем подбора формы катушек и их начального взаимного расположения.

ППри использовании электродинамического прибора в качестве амперметра на ток свыше 0,5 А подвижную и неподвижную катушки
соединяют параллельно (рис. 9.8). При этом I₁ = K₁I; I₂ = К₂I и

(9.16)

где С_i = К₁К₂/К. Следовательно, в амперметре электродинамической системы шкала неравномерная (квадратичная), причем в ее начале деле-ния сильно сжаты. Для получения более равномерной шкалы катушкам придают специальную форму.

В вольтметрах электродинамической системы катушки в боль-шинстве случаев соединяют между собой последовательно и снабжают добавочным сопротивлением (рис. 9.9). В этом случае в вольтметрах
ток, проходящий через подвижную и неподвижную катушки, одинаковый и равный I_U = I₁ = I₂ = U/r_U, где U — измеряемое напряжение; r_U = r_к + r_д - сопротивление измерительной цепи вольтметра, которое равно сумме сопротивлений катушек r_к и добавочного сопротивления r_д.

Подставив значения токов в (9.14), получают

откуда, согласно (9.15), угол поворота стрелки вольтметра

(9.17)

где С_U = 1/(Кr²_U). Таким образом, в вольтметрах электродинамической
системы шкала прибора, как и в амперметрах этой системы, квадратичная.

В отличие от амперметров и вольтметров ваттметры электродинами-ческой системы имеют практически равномерную шкалу. В самом деле, через неподвижную катушку ваттметра, включенную последовательно,
проходит ток нагрузки I = I_Н, а на подвижную катушку, включенную параллельно, воздействует напряжение сети (рис. 9.10). Следовательно,

ток подвижной катушки I₂ = U/r_U, где r_U = r_к + r_д - сопротивление параллельной цепи, или цепи напряжения ваттметра, которое состоит из сопротивления подвижной катушки r_k и добавочного сопротивления r_д. Подставляя значения токов катушек ваттметра в (9.14), получаем

где — мощность.

При установившемся состоянии подвижной части прибора M_врW =

= М_вр, или Тогда, согласно (9.15), угол поворота стрелки ваттметра

(9.18)

где С_W = 1/(Kr_U). Следовательно, угол поворота подвижной системы (или

стрелки) ваттметра связан с измеряемой мощностью линейной зави­симостью. Однако, чтобы шкала ваттметра была равномерной, необ­ходимо соблюдать условие ∂М/∂α = const. Это условие выполняется при М = К_Mα, когда К_м = const. Последнее условие практически легко осуществить за счет конструкции ваттметра. Поэтому обычно ваттметры электродинамической системы имеют равномерную шкалу.

Так как при одновременном изменении тока в обеих катушках электро­динамических приборов направление вращающего момента не изме­няется, то эти приборы пригодны для измерений в цепях как постоян­ного, так и переменного тока.

При переменном токе мгновенное значение вращающего момента пропорционально произведению мгновенных значений токов:

где i₁ = I_lm sin ωt; i₂ = I_2m sin (ωt + ψ).

Угол поворота подвижной части прибора вследствие инерции про­порционален средним за период значениям вращающего момента:

где I₁ и I₂ — действующие значения синусоидальных токов; ψ - угол сдвига фаз между I₁ и I₂.

Согласно (9.15), угол перемещения подвижной части прибора электро­динамической системы при переменном токе будет равен

(9.19)

Так как при конструировании прибора легко осуществить условие ∂М/∂а = const, то

(9.20)

где С — постоянная величина, зависящая от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек. В цепях переменного тока приборы электродинамической системы применяют в основном для измерения мощности.

Приборы электродинамической системы имеют высокую точность, что обусловлено отсутствием ферромагнитных сердечников, и. могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока. При измерениях в цепях переменного тока электродинами­ческие приборы являются самыми точными. Их выполняют в основном в виде переносных приборов, имеющих классы точности 0,1; 0,2; 0,5. Высокая точность приборов обусловлена тем, что для создания вращаю­щего момента подвижной части приборов используют магнитные по­токи, действующие в воздухе, что исключает возможность возникновения погрешностей из-за вихревых токов, гистерезиса и т. д.

Недостатками приборов электродинамической системы являются зависимость их показаний от воздействия внешних магнитных полей, так как их собственное магнитное поле незначительно, и слабая пере­грузочная .способность, так как подвод тока к подвижной катушке осу­ществляется через тонкие спиральные пружинки. Кроме того, эти приборы потребляют довольно значительную мощность, так как для создания достаточного вращающего момента приходится из-за слабости собственного магнитного поля заметно увеличивать число витков неподвижной и подвижной катушек.

Для устранения влияния посторонних магнитных полей на показа­ния приборов и увеличения их вращающего момента электродинами­ческие приборы снабжают ферромагнитными сердечниками, усили­вающими собственные магнитные поля катушек. Наличие ферромагнит­ных сердечников усиливает магнитные поля катушек и, следовательно, вращающий момент подвижной части прибора. Сердечники выполняют­ся из изолированных друг от друга пластин магнитомягких сталей и пермаллоя, что уменьшает погрешности от вихревых токов и надежно защищает приборы от влияния посторонних магнитных полей. Электро­динамические приборы, катушки которых имеют ферромагнитные сердеч­ники, получили название ферродинамических. Эти приборы в отличие от электродинамических обладают меньшей точностью из-за влияния гистерезиса и вихревых токов, их высший класс точности 1,5. Ферро-динамические приборы применяют главным образом для измерений в цепях переменного тока в качестве щитовых и самопишущих приборов (благодаря их большому вращающему моменту) в диапазоне частот от 10 до 1500 Гц.