Вопрос № 5. Электродинамические механизмы.

Принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами.

Рис. 9. Структура электродинамического механизма (а),

его астатическая схема (б) и условное обозначение (в)

Электродинамические механизмы отличаются от магнитоэлектрических тем, что магнитное поле создается не постоянным магнитом, а током, протекающим по неподвижной катушке (рис. 9, а).

Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций, разделенных в пространстве, что позволяет разместить ось, на которой крепится подвижная катушка 2, и изменить конфигурацию магнитного поля. Для создания противодействующего момента используются спиральные пружины 4, через которые подводится ток к подвижной катушке. Момент успокоения создается воздушным успокоителем 3. Корректор 5 обеспечивает установку стрелки на нулевую отметку так же, как и в других механизмах.

При наличии тока в катушках механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную катушку 2 так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпали. В простейшем случае, когда используется система из двух катушек с токами, электромагнитная энергия системы:

(22)

где L₁ и L₂ – индуктивности неподвижной и подвижной катушек соответственно;

М₁,₂ – взаимная индуктивность между ними.

Индуктивность катушек и токи в них не зависят от угла поворота, поэтому вращающий момент М_B в соответствии с формулой (7) равен:

(23)

C учетом того, что противодействующий момент создается спиральными пружинами, в установившемся режиме:

(24)

откуда

(25)

Из анализа формулы (25) можно сделать следующие выводы:

- характер шкалы измерительного механизма зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между неподвижными и подвижными катушками, т. е. от формы катушек и их взаимного расположения; меняя зависимость можно обеспечить равномерность шкалы;

- при одновременном изменении направления (знака) токов I₁ и I₂ не изменяется и направление отклонения стрелки механизма, поэтому электродинамические механизмы пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Выражение (23) справедливо и для мгновенного значения вращающего момента при включении механизма в цепь переменного тока:

(26)

где i₁, i₂ – мгновенные значения токов в катушках.

Пусть , , где φ – разность фаз между токами.

Из-за инерционности подвижной части она реагирует на среднее значение момента, которое определяется по формуле:

Так как

,

то

, (27)

где I₁ и I₂ – действующие токи.

Для момента равновесия получим уравнение измерения

. (28)

Из формулы (28) можно сделать вывод, что на переменном токе электродинамический механизм обладает фазочувствительными свойствами, а градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменного тока.

Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах.

К недостаткам относятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей. Для уменьшения влияния магнитных полей приборы часто выполняются по астатической схеме (рис. 9, б). В этом случае механизм имеет две пары неподвижных и подвижных катушек, которые включены так, что изменение моментов за счет внешних полей у каждой пары катушек противоположно по знаку и взаимно компенсируется, если поле равномерно. Условное обозначение прибора показано на рис. 9, в. В зависимости от соединения катушек электродинамические механизмы используются для измерения тока, напряжения, мощности и разности фаз.

Промышленностью выпускаются щитовые и переносные электродинамические амперметры, вольтметры и ваттметры для использования в цепях постоянного и переменного токов (50 – 3 000 Гц) и фазометры для измерения разности фаз между током и напряжением в нагрузке. Класс точности щитовых приборов обычно не выше 1,5; переносные приборы могут выполняться даже класса точности 0,1. Электродинамические приборы являются одними из точных приборов при измерениях в цепях переменного тока низкой частоты.

Иногда неподвижная катушка размещается на специальном сердечнике с полюсными наконечниками. Такие механизмы называются ферродинамическими и для них справедливы в основном соотношения, полученные для электродинамических механизмов. Вследствие зависимости характеристик магнитной цепи от тока приборы, выполненные на основе ферродинамических механизмов, изготавливаются не выше класса точности 0,5.

Вывод: принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами. Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах. К недостаткам относятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей.