Приборы индукционной системы

Работа приборов индукционной системы основана на использо­вании явления возникновения вращающегося (или бегущего) магнит­ного поля, т. е. на способности этих полей создавать вращающий момент, действующий на подвижное металлическое тело, помещенное в такое поле.

Индукционные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и энергии в цепях переменного тока. Однако наиболее часто их используют для измерения энергии. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счетчика электрической энергии переменного однофазного тока (рис. 9.11).

В индукционном счетчике бегущее магнитное поле, создаваемое токами его катушек, индуцирует в алюминиевом подвижном диске вихревые токи. Взаимодействие бегущего магнитного поля с вихревыми токами создает вращающий момент, заставляющий диск вращаться в ту же сторону, в которую вращается поле. Противодействующий момент создается в результате взаимодействия поля постоянного магнита 8 с наводимыми им во вращающемся алюминиевом диске вихревыми токами.

Подвижная часть прибора представляет собой алюминиевый диск 5, укрепленный на оси 4. Неподвижная часть счетчика состоит из двух электромагнитов 1 и 6 с намагничивающими катушками 2 и 7 соот­ветственно. Электромагнит 1 является трехстержневым, а катушка 2 состоит из большого числа витков изолированного проводника малого сечения. Эта катушка включается параллельно измеряемой цепи и назы­вается обмоткой напряжения. Ток I_U,, проходящий через катушку напря­жения, и магнитный поток этой катушки Ф_U пропорциональны прило­женному к цепи напряжению U. Так как индуктивность катушки 2 достаточно велика, то ток I_Uотстает по фазе от напряжения U практически на угол π/2 (рис. 9.12).

Электромагнит 6 (см. рис. 9.11) имеет П-образную форму. Катушка 7, являющаяся катушкой электромагнита 6, состоит из небольшого числа витков изолированного проводника достаточно большого сечения. Эту катушку включают последовательно с измеряемой цепью и назы­вают токовой обмоткой прибора. Ток I, проходящий через катушку 7 и являющийся током нагрузки, создает поток Ф₁ пропорциональный току I, причем поток Ф₁ отстает по фазе от тока I на некоторый угол, называемый углом потерь. Угол потерь весьма мал, так как поток Ф₁ значительное расстояние проходит через воздух. Токи I_U и I и соответственно созданные ими магнитные потоки Ф_U и Ф₁ совпадают по фазе

(рис. 9.12). Поток Ф₁ дважды пересекает алюминиевый диск 5 (см. рис. 9.11). Ток I и напряжение U сдвинуты по фазе на угол φ, значение которого зависит от характера нагрузки.

Катушка 2 расположена на среднем стержне электромагнита 1, поэтому магнитный поток этой катушки Ф_U разветвляется на потоки Ф₂ и Ф₃, один из которых Ф₂, проходя по среднему стержню сердечника и участку 3 магнитной цепи, огибает диск и пересекает его. Потоки Ф₃ не пересекают диска прибора, так как замыкаются по боковым стержням сердечника 1. Следовательно, поток Ф₂ является рабочим. Потоки Ф₃ используются в счетчике для создания необходимого угла сдвига фаз ψ между рабочими потоками Ф₁ и Ф₂.

Вращающий момент диска, создаваемый магнитными потоками Ф₁ и Ф₂, пропорционален произведению максимальных значений этих потоков и синуса угла ψ сдвига фаз между ними:

(9.21)

где C₁ — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты переменного тока.

Так как практически можно считать, что магнитный поток Ф₂ про­порционален напряжению U, т. е. Ф₂ = C_UU, и поток Ф₁ пропорционален току нагрузки I, т. е. Ф₁ = С_i1, а синус угла сдвига фаз между этими потоками равен cos φ (рис. 9.12), то формулу (9.21) можно заменить выражением

(9.22)

где cos φ — коэффициент мощности потребителя; Р — активная мощ­ность; С_u,, С_i - коэффициенты пропорциональности.

Вихревые токи, возникающие в диске при вращении его в поле постоянных магнитов, пропорциональны частоте вращения диска n_д (об/мин), поэтому противодействующий момент М_пр, = С_дn_д.

При вращении диска с равномерной скоростью его вращающий и противодействующий моменты равны, т. е. М_вр = М_пр, или СР = С_дn_д, откуда частота вращения диска

Если диск за время t сделал п оборотов, то энергия А, полученная из сети потребителем за это время,

(9.23)

так как

Таким образом, согласно (9.23), электроэнергия, учитываемая счетчиком, пропорциональна частоте вращения диска. Величина А/п = Сд/С получила название постоянной счетчика и представляет собой электроэнергию, приходящуюся на один оборот диска.

Счетчик электроэнергии имеет счетный механизм, который связан червячной передачей с осью диска. По показаниям счетного механизма определяют количество электроэнергии, которое израсходовал потре­битель.

К достоинствам индукционных счетчиков следует отнести их боль­шую надежность в работе, значительную перегрузочную способность по току (~300%), незначительную чувствительность к внешним магнит­ным полям и большое значение вращающего момента.

Так как в уравнение (9.22) входит коэффициент С₁, зависящий от частоты сети f, индукционные приборы пригодны для переменного тока только одной определенной частоты, что является в определенной степени недостатком таких приборов. Другим недостатком можно считать зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды: с повышением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление прибора и уменьшаются вихревые токи, что приводит к уменьшению вращающего момента (примерно на 0,4 % при нагревании на 1°С).

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип действия и назначение отдельных деталей электромагнитного измерительного механизма.

2. Поясните принцип действия и назначение отдельных деталей электродинамического измерительного механизма.

3. Поясните принцип действия и назначение отдельных деталей индукционного измерительного механизма.