Изучение приборов электродинамической, ферродинамической, индукционной и электростатической систем
После сборки схемы оценить величину токов в участках и во всей цепи. По этим токам, напряжению сети и приборам, которые будут использованы при измерениях, подобрать измерительные трансформаторы к ваттметру, вольтметру и амперметрам. Включить приборы в цепь через измерительные трансформаторы.
После проверки цепи преподавателем подключить ее к источнику тока и измерить величины, указанные в таблице . При снятии показаний приборов учитывать коэффициенты трансформации трансформаторов.
Рис 19
По показаниям приборов подсчитать мощность каждого участка и всей цепи и общий ток. Результаты вычислений записать в ту же таблицу.
Сравнить Ризм и Рвыч. При наличии расхождений объяснить, чем они вызваны. Почему приборы электродинамической, ферродинамической и индукционной систем можно использовать для измерения мощности, а магнитоэлектрической и электромагнитной нельзя? Как определить цену деления шкалы ваттметра? Почему приборы электродинамической системы применимы в цепях постоянного и переменного токов? Что такое генераторные зажимы приборов и каковы правила включения их?
Дополнительный материал к работе.
Измерительные приборы электродинамической системы. Принцип действия приборов электродинамической системы аналогичен принципу действия приборов магнитоэлектрической системы, но в первых внешнее магнитное поле создается не постоянным магнитом, а неподвижной катушкой 1, по которой проходит ток. Практически эта катушка содержит небольшое число витков толстой проволоки (рис. 20,а).
Рис. 20 Измерительный прибор электродинамической системы; а — схема устройства; б — астатический механизм.
Конструкция подвижной системы 2 ничем не отличается от аналогичной конструкции для приборов магнитоэлектрической системы.
Если по неподвижной катушке пропустить ток I1, а по подвижной — ток I2, то рамка, по которой течет ток I2, окажется в магнитном поле неподвижной катушки 1 и на нее, как и в приборах магнитоэлектрической системы, будет действовать вращающий момент (рис.20,а). Он будет зависеть от величины токов I1 и I2, так как вообще вращающий момент появляется в результате взаимодействия магнитных потоков катушек (Ф1 и Ф2), которые сами зависят от токов I1 и I2 соответственно.
Таким образом,
Мвр =к Ф1 Ф2 =к I1 I2
Зависимость вращающего момента от двух токов позволяет использовать эти приборы не только в цепях постоянного, но и в цепях переменного тока. Действительно, с изменением направления тока I1 меняется и направление магнитного потока Ф1 в котором находится рамка, от этого должно измениться на обратное и направление сил F, действующих на рамку (рис. 20,а). Но вместе с изменением направления тока I1 изменяет свое направление и ток в рамке I2, а от этого направление вращающего момента изменяется на обратное еще раз и таким образом оказывается прежним.
Следовательно, по мере того как переменный ток изменяет свое направление, вращающий момент действует все время в одну сторону, изменяясь по величине по мере изменения силы тока. Из-за инерционности подвижная система прибора не может следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента Мср за период Т.
На основании уравнения ( Мвр =к Ф1 Ф2 =к I1 I2 ),
мгновенное значение вращающего момента в некоторый момент времени
где К—некоторый коэффициент пропорциональности;
Ф1 и Ф2—мгновенные значения магнитных потоков катушек в этот момент времени.
Так как коэффициент пропорциональности К — величина постоянная, то характер изменения вращающего момента полностью определяется характером изменения произведения Ф1Ф2 с течением времени, поэтому по графику этого произведения можно видеть характер изменения вращающего момента. Более того, этот график можно считать и графиком вращающего момента, так как он полностью подобен последнему и все его ординаты лишь меньше соответствующих ординат истинного графика mвр в одинаковое число раз (в К раз).
В связи с этим во всех рассуждениях о вращающем моменте можно пользоваться графиком произведения ф1 ф2 и лишь в окончательный результат надо ввести коэффициент пропорциональности К, то есть увеличить его в. К раз.
На рисунке 21 построены графики произведения ф1ф2 для случаев, когда магнитные потоки по фазе совпадают, не совпадают на некоторый угол а и не совпадают на 90°. Из этих рисунков видно, что среднее значение произведения ф1ф2 (а значит, и среднее значение вращающего момента) зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними, причем оно оказывается пропорциональным косинусу этого угла (cos а). Действительно, если, а = 0, то cos α = l, и среднее значение произведения оказывается максимальным.
С увеличением угла α косинус его уменьшается и среднее значение произведения магнитных потоков тоже уменьшается. При α = 90° cos α=0, и среднее значение произведения магнитных потоков становится равным нулю, так как график произведения становится симметричным относительно оси времени.
Рис.21
Таким образом, из рисунков следует, что среднее значение вращающего момента пропорционально магнитным потокам катушек и косинусу угла сдвига фаз между ними:
Мср = КФ1Ф2 соs α
где Ф1 и Ф2 — действующие значения магнитных потоков в катушках.
Так как система не содержит стальных сердечников, то магнитное поле у этих приборов слабое и каркас подвижной катушки не может выполнять роль успокоителя. Поэтому в приборах электродинамической системы, как правило, устанавливают воздушные успокоители.
По той же причине эти приборы в значительной степени подвержены влиянию внешних магнитных полей.
Для уменьшения дополнительной погрешности от внешнего магнитного поля используют механизмы астатического устройства, которые имеют две неподвижные и две подвижные катушки (рис.20,6). Неподвижные катушки соединены между собой последовательно, но так, что поля их направлены в противоположные стороны. Токи в подвижных катушках также направлены в противоположные стороны. Благодаря этому вращающие моменты обоих элементов совпадают по направлению и на ось со стрелкой действует некоторый суммарный вращающий момент. Если прибор окажется под влиянием какого-либо внешнего магнитного поля, то благодаря различным направлениям полей неподвижных катушек одно из них внешним полем будет усиливаться, а другое в такой же степени ослабляться. В результате этого вращающий момент, созданный одним элементом, увеличится, а другим — в такой же степени уменьшится. Суммарный вращающий момент, действующий на ось, останется неизменным. Практически, если внешнее магнитное поле однородно, то влияния его на показания астатического механизма совершенно не чувствуется.
К положительным свойствам приборов электродинамической системы относятся следующие:
1) почти равномерная шкала;
2) большая точность (до класса 0,1);
3) возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного тока;
4) наличие двух чувствительных элементов (две катушки, влияющие на угол поворота подвижной системы).
Но эти приборы имеют и недостатки:
1) зависимость показаний от внешних магнитных полей;
2) чувствительность к перегрузкам;
3) относительно большая потребляемая мощность (обычно 6—10 вт, но у некоторых приборов может достигать 20—25 вт);
4) высокая стоимость.
Механизмы электродинамической системы чаще всего применяются в приборах, предназначенных для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов, или в амперметрах и вольтметрах высокого класса точности (0,2; 0,1), тоже предназначенных для измерения в цепях постоянного и переменного токов.
Измерительные приборы ферродинамической системы. Приборы ферродинамической системы представляют собой разновидность электродинамических, но отличаются от них тем, что у первых внешнее магнитное поле, в котором находится рамка с током, создается катушкой со стальным сердечником.
Конструктивно они подобны приборам магнитоэлектрической системы, но постоянный магнит заменен сердечником 1 из магнито-мягкой стали, на котором расположена катушка 2
При прохождении тока по неподвижной катушке сердечник 1 намагничивается и рамка 3 с током оказывается в магнитном поле. В результате этого на нее действует вращающий момент, и подвижная система поворачивается. Сердечник 4 конструктивно выполнен так же, как в приборах магнитоэлектрической системы, и имеет то же назначение.
Рис.22. Прибор ферродинамической системы.
Вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, пропорционален токам в катушках. Так как в приборах ферродинамической системы вращающий момент зависит от двух токов, то эти приборы можно использовать и в цепях переменного тока, причем в этом случае вращающий момент, как и в приборах электродинамической системы, зависит не только от величины магнитных потоков, но и от угла сдвига фаз между ними:
Мвр = КФ1Ф2, cos α,
где Ф1 и Ф2 — магнитные потоки в обмотках;
α — угол сдвига фаз между ними;
К — некоторый коэффициент пропорциональности.
Благодаря наличию стального сердечника в воздушном зазоре, в котором расположена подвижная катушка 3, магнитная индукция достигает значительной величины, поэтому и вращающий момент у этих приборов большой. Это позволяет увеличить вес подвижной части, а следовательно, и ее прочность без увеличения погрешности от трения, а также использовать их в качестве самопишущих приборов, в которых для движения пишущего пера требуется большое усилие. Большая магнитная индукция в зазоре делает показания прибора практически не зависимыми от внешних магнитных полей. Но наличие стали влечет за собой увеличение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов.
Для успокоения подвижной системы используются воздушные или магнитоиндукционные успокоители.
Использовать для целей успокоения каркас подвижной катушки 3, как это делается в приборах магнитоэлектрической системы, не представляется возможным, так как обмотка катушки выполняется либо бескаркасной, либо на неметаллическом каркасе, поскольку наличие металлического каркаса вызвало бы появление в нем индуктированных токов при использовании прибора в цепях переменного тока.
Достоинства приборов ферродинамической системы следующие:
1) большой вращающий момент;
2) прочность конструкции;
3) надежность в работе;
4) независимость показаний от внешних магнитных полей.
Недостатки этих приборов:
1) чувствительность к перегрузкам (по напряжению);
2) зависимость показаний от частоты;
3) невысокая точность;
4) относительно большая потребляемая мощность (от 0,15 до 10 вт, в зависимости от типа и пределов измерения прибора).
Измерительные приборы индукционной системы. Принцип действия прибора индукционной системы основан на явлении взаимодействия между вихревыми токами, протекающими в подвижной части прибора, и магнитными потоками, которые создаются в его неподвижной части. В результате взаимодействия между вихревыми токами и магнитными потоками на подвижную часть действует вращающий момент, и она поворачивается.
Из самого принципа действия следует, что приборы индукционной системы могут быть использованы только в цепях переменного тока, так как в цепях постоянного тока вихревые токи возникать не будут
Измерительный механизм индукционной системы состоит из двух электромагнитов 1 и 2 (рис.23, а), между полюсами которых расположен алюминиевый диск 3, укрепленный на оси ОО1. При прохождении токов по обмоткам в сердечниках электромагнитов создаются магнитные потоки Ф1 и Ф2. Поток Ф1 пронизывает диск дважды в различных направлениях (рис. 126, б). Поток Ф2 делится на две части: вспомогательный поток ФL, который замыкается через боковые стержни 5 электромагнита, и рабочий поток Ф2, который пронизывает диск один раз и замыкается через стальную планку 4 (противополюс) .
Пронизывая диск, рабочие потоки индуктируют в нем вихревые токи. На рисунке 23, в показано распределение вихревых токов, их направления и направления магнитных потоков в сердечниках, которые мы примем за положительные.
По правилу левой руки можно определить, что токи I1 взаимодействуя с потоком Ф2, стремятся повернуть диск против часовой стрелки. Токи I2, взаимодействуя с потоком Ф1 вращают диск в обратную сторону.
Таким образом, на диск действуют два вращающих момента M1 и М2, положительные направления которых противоположны.
F = ФI
Рис.23. Измерительный прибор индукционной системы:
а — схема устройства, б — магнитные потоки всердечниках; в - вихревые токи в диске; г - векторная диаграмма токов и магнитных потоков.
то есть электромагнитная сила взаимодействия между током и магнитным потоком, а следовательно и вращающий момент, пропорциональны произведению Ф1. Так как в данном случае речь идет о величинах, изменяющихся синусоидально, то мгновенные значения вращающих моментов
m1=ф2i1, а m2=ф1i2
Из-за инерционности диск не может следовать за быстрыми изменениями вращающих моментов, поэтому его отклонение пропорционально разности средних значений этих вращающих моментов.
Из рисунка 21 следует, что среднее значение произведения двух синусоидальных величин пропорционально их действующим значениям и косинусу угла сдвига фаз между ними, то есть
М1= Ф2 I1 cos α1, а М2 = Ф1 I2 cos α2,
где α1 — угол сдвига фаз между потоком Ф2 и вихревыми токами I1
α2 — соответствующий угол между потоком Ф1 и токами I1.
В общем случае магнитные потоки Ф1 и Ф2 не совпадают по фазе относительно друг друга на некоторый угол α. На векторной диаграмме (рис. 23, г) изображены магнитные потоки Ф1 и Ф2 и токи, которые они индуктируют в диске. Эти токи отстают от магнитных потоков, их создавших, на угол 90°. Это объясняется тем, что диск — чисто активное сопротивление, поэтому токи в нем совпадают по фазе с э. д. с, а последние отстают от магнитных потоков, их создавших, на угол 90°
Из этой диаграммы
Α1 = 90 — α; α3 = 90 + а,
поэтому
М1 = Ф2 I1 cos (90 — α) = Ф2 I1 sin α,
a
М2 = Ф1 I2 cos (90 + α) = Ф1 I2 (—1) sin α,
так как
cos (90 — α) = sin α, a cos (90 + а) = — sin α.
Поскольку вихревые токи I1 == Ф1, a I2 = Ф2,
то
М1 = Ф2Ф1 sin α, a М2 = Ф1Ф2— 1) sin α,
или
М1 = К1 Ф2 Ф1 sin α, а М2 = — К2 Ф1 Ф2 sin α,
где К1 и К2 — коэффициенты пропорциональности,
Равнодействующий момент, действующий на диск,
М = М1 - М2 = К1Ф2 Ф1 sin α +К2Ф1Ф2 sin α =
Окончательно
М = КФ1Ф2 sin α, (254)
где K—K1+K2—некоторый результирующий коэффициент пропорциональности ;
α — угол сдвига фаз между рабочими магнитными потоками.
Из последнего уравнения следует, что вращающий момент действующий на диск, пропорционален синусу угла сдвига фаз между рабочими магнитными потоками Ф1 и Ф2 и достигает наибольшей величины при a = 90°, так как при этом sin α =l.
Так как магнитные поля у этих приборов сильные, то воздействию внешних полей они практически не подвержены.
Вращающий момент у этих приборов достигает значительной величины, что позволяет подвижную их часть делать достаточно прочной и надежной в работе, но наличие стали вызывает увеличение основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов. Кроме того, показания их в значительной степени зависят от частоты.
Для гашения колебаний подвижной системы этих приборов - используют магнитоиндукционные успокоители. Магнит успокоителя располагают так, чтобы алюминиевый диск оказался между его полюсами. Поэтому всякое движение диска вызывает появление в нем вихревых токов, которые, взаимодействуя с полем постоянного магнита, оказывают сильное тормозящее действие и гасят колебания подвижной системы.
К достоинствам приборов индукционной системы относятся следующие:
1) возможность получения равномерной шкалы;
2) большой угол поворота подвижной части (до 270°);
3) большой вращающий момент;
4) малая чувствительность к перегрузкам;
5) малая чувствительность к воздействию внешних магнитных полей;
6) большая прочность подвижной части и надежность в работе.
Недостатки этих приборов:
1) невысокая точность (не выше класса 1,0);
2) сильная зависимость показаний от частоты и формы кривой тока;
3) зависимость показаний прибора от температуры;
4) относительно большая потребляемая мощность (до 10 вт).
Механизмы индукционной системы используют в приборах, предназначенных для измерения мощности или энергии в цепях переменного тока.
Дата добавления: 2020-03-17; просмотров: 672;