Как работает прибор электромагнитной системы

Как работает прибор электромагнитной системы

Как работает прибор электромагнитной системы

Электромагнитная система

Приборы электромагнитной системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепи переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки 1, по которой протекает измеряемый ток и подвижного железного сердечника (рис. 2).

Железный сердечник особой формы с отверстиями закреплен эксцентрично на оси и может входит в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси.

Под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается в катушку по мере увеличения в ней силы тока. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Приборы электромагнитной системы снабжаются воздушный успокоителем, представляющим собой камеру, в которой перемещается алюминиевый поршенек (демпфер). При повороте сердечника поршенек встречает сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают. Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с возрастанием тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитном приборе вращающий момент М1 пропорционален квадрату тока:

где К1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент М2, создаваемый пружиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора:

где К2 – коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины.

Равновесие подвижной части прибора определяется равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т.е. М1 = М2 откуда

где К = . Выражение показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная, квадратичная; с изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения, как на постоянном, так и на переменном токе низких частот. Достоинством приборов электромагнитной системы являются:

1) возможность измерения как постоянного, так и переменного тока;

2) простота конструкций;

3) механическая прочность;

4) выносливость в отношении перегрузок.

К недостаткам этой системы относятся: неравномерность шкалы, меньшая точность, чем в магнитоэлектрических приборах, зависимость показаний от внешних магнитных полей.

Электродинамическая система

Электродинамические измерительные приборы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного токов. Принцип действия приборов электродинамической систем основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток. Таким образом, приборы электродинамической системы отличаются от приборов магнитоэлектрической системы тем, что магнитное поле создается не постоянным магнитом, а катушкой, питаемой измеряемым током, На рис. 3 схематически изображено устройство электродинамического прибора.

Внутри неподвижно закрепленной катушки может вращаться на оси подвижная катушка, с которой жестко связана стрелка, перемещающаяся над шкалой. Противодействующий момент создается спиральными пружинами. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий момент М1, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. Этому противодействуют пружинки, вследствие чего подвижная катушка устанавливается в положение, когда вращающий момент становится равным противодействующему

Катушки в электродинамических приборах, в зависимости от назначения, соединяются между собой последовательно или параллельно. Если катушки прибора соединить параллельно, то он может быть использован как амперметр. Если катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр.

В первом приближении вращающий момент М1, действующий на подвижную катушку, пропорционален как току I1 в неподвижной катушке, так и току I2 в подвижной катушке:

где К1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Пружина, закручивающиеся при вращении подвижной катушки, создают противодействующий момент М2, пропорциональный углу  на который повернулась катушка

где К2 – коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины. При равентстве моментов М1 и М2 подвижная катушка остановится. Тогда

где . Если катушки соединены последовательно, то

Эти выражения показывают, что шкала электродинамического прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, т.е. приблизить к равномерной.

При перемене направления тока в обеих катушках напряжение вращающего момента не меняется. Отсюда следует, что приборы этой системы пригодны для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе. Торможение в этих приборах также, как и в электромагнитных, достигается с помощью воздушного успокоителя.

В электроизмерительной практике, для измерения потребляемой в цепи мощности широко применяется электродинамический ваттметр. Он состоит из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков толстой проволоки, включаемой последовательно с тем участком цепи, в котором требуется измерить расходуемую мощность, и подвижной, содержащей большое число витков тонкой приволоки и помещенной на оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в цепь подобно вольтметру, т.е. параллельно потребителю, и для увеличения ее сопротивления R2 последовательно. с ней вводится добавочное сопротивление r. Пусть ток в первой катушке I1, во второй – I2. По закону Ома напряжение на зажимах. нагрузки равно:

откуда

Поставив значение I2 в выражение (1) для, , получим

Таким образом, отклонение подвижной части пропорционально мощности и поэтому шкалу прибора можно проградуировать в ваттах.

Из этого также следует, что ваттметр этой системы имеет равномерную шкалу.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются:

1) возможность измерения, как на постоянном, так и на переменном токе;

2) достаточная точность.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров; чувствительность к внешним магнитным полям; большая чувствительность к перегрузкам. Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях переменного тока.

Электромагнитные приборы

Устройство и принцип действия электромагнитного ИМ

Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольным и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками. На рис. 4.6 показана конструкция электромагнитного измерительного механизма втяжного действия.

Рис. 4.7. Устройство электромагнитного механизма

При прохождении тока I по намагничивающей катушке 1 создается магнитное поле. Ферромагнитный сердечник 2, закрепленный на оси 3, при этом стремится расположиться в месте с наибольшей напряженностью поля, т. е. втягивается в зазор катушки. В электромагнитном приборе с осью 3 связана стрелка 4, которая перемещается по шкале 5. Электромагнитная энергия, создаваемая катушкой с током, определяется следующим образом: We = LI 2 /2, где L — индуктивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2.

Выражение для вращающего момента представляется как

(4.9)

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

(4.10)

следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока угол отклонения подвижной части ИМ зависит от квадрата действующего значения тока.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры. В однопредельном амперметре катушка включается непосредственно в цепь тока, как показано на рис. 4.8 а, в вольтметре последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 4.8 б).

Рис. 4.8. Схема однопредельного электромагнитного амперметра (а) и вольтметра (б)

Рис. 4.9. Схема трехпредельного электромагнитного амперметра

В многопредельных амперметрах рабочую катушку выполняют из нескольких секций, которые соединяются между собой с помощью переключателя различным образом. На рис. 4.9 показана схема трехпредельного амперметра. В многопредельных вольтметрах последовательно включаются несколько добавочных резисторов, которые переключаются в зависимости от предела.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы.

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

1) возможность использования как на постоянном, так и на переменном токе;

2) простоту конструкции и дешевизну;

3) надежность в эксплуатации;

4) широкий диапазон пределов измерений;

5) способность выдерживать большие перегрузки и др.

Недостатками являются:

1) большое собственное потребление энергии;

2) малая чувствительность;

3) сильное влияние внешних магнитных полей;

4) неравномерность шкалы.

Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины.

Погрешности электромагнитных приборов

Погрешности электромагнитных приборов обусловлены следующими причинами: трением в опорах, гистерезисом материала сердечника, нагревом рабочей катушки, проходящим по ней током, изменением температуры окружающей среды и др. Рассмотрим погрешности, характерные для электромагнитных приборов.

Погрешность от гистерезиса материала сердечников проявляется при работе на постоянном токе.

Погрешность от нагрева рабочей катушки проходящим по ней током обусловлена изменением сопротивления катушки и пружин.

Температурная погрешность обусловлена изменением температуры окружающей среды и характерна для вольтметров, и определяется изменением сопротивления цепи катушки и упругости пружин (или растяжек).

Для компенсации температурной погрешности используются различные компенсационные схемы.

Принцип действия приборов электромагнитной системы

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 4, а) или круглой (рис. 4, б) катушкой.

В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток. Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку.

Рис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками

Сила притяжения F, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.

При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М изменяется пропорционально I 2 .

Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом Mпр, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = Mпр, откуда

α= (c1/c2) I 2 = kI 2

где к — постоянная величина.

Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.

Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

Рис. 5. Устройство астатического измерительного механизма

В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Применение. Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока. Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.

Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно или параллельно двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором — в качестве вольтметра.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Астатические приборы. Катушки электромагнитных приборов создают относительно слабое магнитное поле, так как силовые линии этого поля проходят в основном по воздуху. Поэтому такие приборы весьма чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от этих влияний электромагнитные приборы окружают стальными экранами или выполняют астатическими.
В астатическом приборе имеются две плоские катушки 1 и два сердечника 2, расположенные на общей оси (рис. 325). Обмотки катушек включают так, чтобы направления их магнитных потоков Ф1 и Ф2 были противоположны. Вращающие моменты действуют на подвижную систему прибора в одинаковом направлении. Поэтому внешний магнитный поток Фвн будет усиливать поле одной катушки и ослаблять поле другой; создаваемый же ими суммарный вращающий момент будет оставаться неизменным.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Как работает прибор электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле. Неподвижная катушка 1 (рис. 2-6) состоит из каркаса с навитой изолированной медной проволокой или медной лентой. При протекании измеряемого тока по обмотке катушки в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках устанавливается ось 8 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь щели, поворачивая тем самым и ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

Пусть катушка с током I создает магнитное поле, которое намагничивает фасонный стальной сердечник и создает некоторую силу F, стремящуюся

повернуть сердечник вокруг оси (рис. 2-7). При переме щении точки С сердечника По дуге будет совершена работа

где R — радиус вращения точки центральный угол, соответствующий дуге .

Работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки поэтому

Учитывая, что получим:

Повороту сердечника противодействует спиральная пружина, создавая противодействующий момент

где k — жесткость пружины, а угол поворота сердечника. Тогда при достижении равновесия

Вообще говоря, и сильно зависит от формы сердечника. Положив в пределах поворота сердечника , получим:

где

Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она, в основном, должна быть квадратичной, т. е. сжатой в начале и растянутой в конце. Однако путем придания фасонной формы сердечнику и расположением его в катушке (что приведет к изменению множителя ) можно существенно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равномерной в рабочей части.

Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно изменяется направление магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притягивание) не изменяется. Этот же вывод следует и из выражения вращающего момента (2.8), в которое значение тока входит в квадрате. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны

и для измерения переменных токов. При измерении переменного тока подвижная система прибора поворачивается на некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момента за период. Определим вращающий момент подвижной системы прибора.

Пусть измеряемый ток изменяется по закону

тогда мгновенное значение вращающего момента равно

а среднее за период значение этого момента

Таким образом, среднее значение вращающего момента, действующего на подвижную систему электромагнитного прибора при измерениях переменного тока, пропорционально квадрату действующего значения переменного тока, т. е. . Квадратичная зависимость угла поворота подвижной системы электромагнитного прибора от тока имеет простое физическое объяснение: ток в катушке создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. В результате намагниченный сердечник взаимодействует с катушкой, при этом намагниченность сердечника изменяется вместе с изменениями тока в катушке.

Мы рассмотрели устройство и действие приборов с плоской катушкой. Помимо этой конструкции в настоящее время широкое применение получили так называемые приборы с круглой катушкой (рис. 2-8). Измеряемый ток протекает по обмотке круглой катушки 1 и создает внутри нее магнитное поле, в котором помещаются два стальных сердечника: один — неподвижный 2, прикрепленный к каркасу, другой — подвижный 3, связанный с осью прибора. Близлежащие концы сердечника под действием магнитного поля катушки намагничиваются одноименно и отталкиваются, вызывая соответствующий измеряемому току поворот подвижной системы. Очевидно, что приведенные рассуждения, относящиеся к приборам с плоской катушкой, справедливы и для приборов о круглой катушкой.

Электромагнитные приборы применяются как амперметры и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки.

Применение стальных сердечников в электромагнитных приборах вызывает разные показания при измерениях в цепях постоянного и переменного токов, так как в цепях переменного тока добавляются потери на гистерезис и на вихревые токи. Поэтому электромагнитные приборы, как правило, градуируют либо для постоянного тока, либо для переменного. Для уменьшения погрешности от гистерезиса сердечники некоторых приборов (класс 0,2) изготовляют из специального сплава — пермаллоя с особо малым значением коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей у некоторых электромагнитных приборов применяют астатические измерительные механизмы (см. рис. 2-4, а).

Для успокоения колебаний подвижной системы в электромагнитных приборах с плоской катушкой применяют воздушные успокоители, а в приборах с круглой катушкой — чаще магнитоиндукционные.

Достоинствами электромагнитных приборов являются: простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для постоянных и переменных токов, невысокая стоимость и возможность широкого использования в качестве щитовых приборов.

Недостатки этих приборов — неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на показания приборов, малая чувствительность.

Приборы электромагнитной системы

Электромагнитные измерительные приборы применяют для измерения тока или напряжения в цепях переменного или постоянного тока. Промышленность выпускает приборы данного типа в двух вариантах: с плоской и круглой катушкой. Действие электромагнитного прибора с плоскойкатушкой основано на принципе втягивания ферромагнитного сердечника в катушку с током. Такой прибор представляет собой катушку, намотанную на каркас, имеющий щелевидное отверстие. Подвижная часть прибора содержит ось со стрелкой, несимметрично укрепленный сердечник и возвратную пружину. Для быстрого успокоения стрелки относительно положения равновесия служит успокоитель с воздушным торможением.

При включении прибора в сеть по катушке проходит ток и возникающее магнитное поле втягивает сердечник внутрь катушки. Сердечник укреплен на оси несимметрично, поэтому подвижная часть прибора поворачивается на некоторый угол. Подвижная часть будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий момент, созданный током, не будет уравновешен противодействующим моментом спиральной пружины. Угол поворота подвижной части зависит от силы, с которой сердечник втягивается внутрь катушки. Эта сила пропорциональна току и величине магнитной индукции В поля катушки: F=kBI, где k — коэффициент пропорциональности.

Так как при отсутствии насыщения магнитная индукция пропорциональна току, то угол поворота подвижной системы будет пропорционален квадрату тока. В этом случае шкала прибора должна быть квадратичной. Однако наличие в приборе ферромагнитного сердечника усложняет приводимую зависимость, вследствие чего шкала электромагнитных измерительных приборов неравномерна.

Придавая сердечнику специальную форму и изменяя его расположение относительно катушки, можно добиться некоторого уменьшения неравномерности шкалы в большей ее части, кроме начальных делений, которые остаются очень сильно сжатыми.

В электромагнитных вольтметрах катушки выполняют из большого числа витков (2000—10000) провода диаметром 0,08—0,1 мм. Катушки амперметров содержат небольшое число витков толстого медного провода круглого или ленточного сечения. Внешние магнитные поля оказывают значительное влияние на работу электромагнитного прибора, но благодаря ферромагнитному кожуху это влияние значительно ослабляется.

В приборе с круглой катушкой внутри ее помещены два сердечника: подвижный, жестко укрепленный на оси прибора вместе со стрелкой, и неподвижный.

Когда по катушке протекает ток, возбуждающий магнитное поле, концы сердечников намагничиваются с одинаковой полярностью и отталкивание их одноименных полюсов создает вращающий момент. Подвижный сердечник, отталкиваясь от неподвижного, поворачивает ось со стрелкой на некоторый угол. Для ослабления влияния внешних магнитных полей на катушку надет ферромагнитный экран. Прибор снабжен магнитным успокоителем.

В электромагнитном приборе количество стали относительно мало, и большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. Поэтому измерительный механизм электромагнитной системы обладает малой чувствительностью, следовательно, затруднительно изготовить амперметр на малый ток (менее 0,5А) или вольтметр на малое напряжение (менее 10В).

Способность прибора работать в цепях переменного и постоянного тока объясняется тем, что изменение направления тока в катушке приводит к перемагничиванию сердечников, вследствие чего направление вращающего момента не меняется. При переменном токе прибор показывает действующие значения тока или напряжения. Мощность, потребляемая электромагнитными приборами от сети, колеблется от 2 до 8 Вт.

Читайте также  Как распланировать электрику в квартире

К достоинствам электромагнитных приборов следует отнести их простоту, дешевизну, надежность в эксплуатации, способность выдерживать кратковременные перегрузки, а также пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока.

Недостатками приборов электромагнитной системы являются их сравнительно малая точность (класс точности 1; 1,5; 2,5), неравномерность шкалы, довольно большая потребляемая мощность, зависимость показаний от частоты тока и влияния внешних магнитных полей.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector