ЛАБА 2. Лабораторная рабоат3 Изучение устройства измерительных приборов электродинамической и индукционной систем

• Название: Лабораторная рабоат3 Изучение устройства измерительных приборов электродинамической и индукционной систем
• Анкор: ЛАБА 2
• Дата: 09.01.2023
• Размер: 128.06 Kb.
• Имя файла: tema_2_2_laba_2.docx
• Тип: Документы; #878125

Лабораторная рабоат№3

Изучение устройства измерительных приборов электродинамической и индукционной систем.

Цель работы: Изучение электроизмерительных приборов, используемых в лабораторных работах. Получение представлений о работе, устройестве и характеристиках приборов электродинамической и индукционной систем.

Электродинамические приборы

Устройство и принцип действия электродинамического ИМ

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. 1) 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, пропорциональный углу закручивания. 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.

Приборы электродинамической системы имеют высокую точность, что обусловлено отсутствием ферромагнитных сердечников, и могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока. При измерении 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.

 

Применяют круглые или прямоугольные катушки. Обычно неподвижная катушка состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I₁, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током, проходящим через катушки возбуждения 2. Электромагнитная энергия W_e двух контуров с токами

W_e = L₁ I₁² /2 + L₂ I₂² /2 + I₁ I₂M_1,2, (4.11)

где L₁, L₂ - индуктивность подвижной и неподвижной катушек; M_1,2 - взаимная индуктивность катушек 1 и 2.

Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 1

M_ВР = I₁I₂ (dM_1,2/da). (4.12)

При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле:

a = I₁I₂ (dM_1,2/da)/W. (4.13)

При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока угол отклонения:

a = I₁I₂ cosy (dM_1,2/da)/W, (4.14)

где I₁ и I₂ - действующие значения токов; y - угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂ .

В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух жестко закрепленных между собой под определенным углом g катушек. Угол отклонения a зависит от отношения токов I₁/I₂.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы электродинамической системы могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Шкала приборов неравномерная. Характер шкалы зависит от формы катушек и их взаимного расположения. Изменяя множитель dM_1,2/da, можно улучшить шкалу так, что в начале шкалы будет иметь место неравномерность, а далее шкала будет практически равномерной. Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры - равномерную шкалу, начиная с 15-20 % ее номинального значения.

Электродинамические приборы применяют в качестве: ваттметров постоянного тока и однофазных, трехфазных, малокосинусных ваттметров переменного тока, амперметров и вольтметров переменного и постоянного токов. Электродинамические логометрические измерительные механизмы применяются в фазометрах, частотомерах, фарадомерах. Выпускаются комбинированные приборы - ампервольтваттметры.

Электродинамические амперметры выполняются по двум схемам, показанным на рис. 4.11 а и 4.11 б.


Рис. 4.11. Схемы включения катушек электродинамического механизма

Последовательное соединение катушек (рис. 4.11 а) используется в амперметрах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). Так как y = 0 и I₁ = I₂ = I, уравнение преобразования амперметра сводится к виду

a = I²(dM_1,2/da)/W. (4.15)

В параллельной схеме (рис. 4.11 б), которая используется при больших токах (до 10 А), подбором индуктивностей L₁, L₂ и резистора R в цепях катушек задаются токи I₁ = k₁I; I₂ = k₂I и разность фаз y =0. Уравнение преобразования амперметра будет иметь вид:

a = k₁ k₂.I²(dM_1,2/da)/W. (4.16)

Для выполнения электродинамического вольтметра последовательно с катушками, соединенными по схеме (рис. 4.11 а), включается добавочный резистор R_Д, как показано на рис. 4.11 в. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид:

a= [U₂/(R₂W)](dM_1,2/da), (4.17)

где R = R_Д + R_V - общее сопротивление цепи.

Наиболее важной группой электродинамических приборов являются ваттметры. На рис. 4.11 г представлена простейшая схема однопредельного электродинамического ваттметра.

Учитывая, что I₁ = I_Н и I₂ = U/(R₂ + R_Д), уравнение преобразования электродинамического ваттметра постоянного тока может быть записано в виде

a = [1 /W(R₂ + R_Д)] I_H U dM_1,2/da) = [1 /W(R₂ + R_Д)] P dM_1,2/da. (4.18)

На переменном токе уравнение преобразования:

a = [1 /(W(R₂ + R_Д))] I_H Ucosj dM_1,2/da = [1 /(W(R₂ + R_Д))]^. Р_аdM_1,2/da, (4.19)

где j - угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током I_H в нагрузке R_Н; R₂ – сопротивление параллельной катушки; Р_а - активная мощность нагрузки.

Из выражений (4.18), (4.19) видно, что шкала ваттметров равномерная.

Основными достоинствами электродинамических приборов являются:

- возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного токов;

- возможность градуировки на постоянном токе;

- высокая стабильность показаний во времени;

- высокий класс точности (например, выпускаются электродинамические амперметры и миллиамперметры, вольтметры, однофазные ваттметры класса точности 0,05, частотомеры - класса 0,5).

Высокая точность приборов обусловлена отсутствием в них, в отличие от других электромеханических приборов, ферромагнитных элементов.

В качестве недостатков таких приборов можно отметить следующие:

- влияние внешних магнитных полей и механических воздействий;

- большую мощность потребления.

По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволяют уменьшить собственное потребление мощности (имеются миллиамперметры с током полного отклонения 1 мА).

Погрешности электродинамических приборов

Погрешностями электродинамических приборов являются: температурная и частотная погрешности; погрешность из-за влияния внешних магнитных полей и др.

Температурная погрешность g_t возникает вследствие изменения сопротивления обмоток рамок (катушек) и изменения упругих свойств растяжек или пружинок при изменении температуры. Для компенсации температурной погрешности применяют специальные схемы, например, последовательно-параллельная схема, подобная схеме, приведенной на рис 4.4, позволяет снизить температурную погрешность многопредельного электродинамического ваттметра до g_t £ 0,1 %

Частотная погрешность обусловлена зависимостью полного сопротивления катушек от частоты, изменением фазовых соотношений электродинамического прибора, взаимной индуктивностью катушек. Для уменьшения частотной погрешности в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки может быть включен конденсатор С @ L₀ /R₁ (L₀ и R₁ - индуктивность и сопротивление подвижной катушки).

Погрешность от влияния внешних магнитных полей уменьшается с помощью магнитных экранов.

Схемы :
У амперметров данного типа при измерении силы тока до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки соединены последовательно (рис. 3.9, а), при измерении больших сил тока для исключения перегрева катушек — параллельно (рис. 3.9, 6). Схема подключения вольтметра показана на рис. 3.9, в, ваттметра — на рис. 3.9, г. Неподвижная катушка ваттметра образует его токовую обмотку и подключается последовательно с нагрузкой R_w подвижная образует обмотку напряжения и подключается параллельно R_H.



Рис. 3 Схемы подключения электродинамических приборов: а, б — амперметра; в — вольтметра; г — ваттметра
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. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счетчика электрической энергии переменного однофазного тока (рис. 2.54).

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 сердечника состоит из двух электромагнитов 1 и 6 с намагничивающимися катушками 2 и 7 соответственно. Электромагнит

1 является трехстержневым, а катушка 2 состоит из большого числа витков изолированного проводника малого сечения.

Электроэнергия, учитываемая счетчиком, пропорциональна частоте вращения диска.

Также 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 (около 300 %), незначительную чувствительность к внешним магнитным полям и большое значение вращающего момента.

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).



Рис. 2.54. Счетчик электрической энергии переменного однофазного тока

6. 
   Контрольные вопросы
   

1. 
   Сравните основные типы электромеханических измерительных приборов.
   
2. 
   Поясните устройство электромеханического прибора электродинамиче­ской системы.
   
3. 
   Поясните устройство электромеханического прибора индукционной системы
   
4. 
   Что измеряют электродинамические и индукционные приборы?
   
5. 
   Определите показания электродинамического вольтметра при измерении напряжения в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 5 В, длительностью 100 мкс и периодом 10 мс.
   
6. 
    На чем основан принцип действия приборов электродинамической системы?
   

А) На взаимодействии магнитного поля катушки и ферромагнитного сердечника

Б) На взаимодействии проводников, по которым протекает ток

В) На взаимодействии постоянного магнита и рамки, по которой протекает ток.

7. Укажите основные детали прибора электродинамической системы (без кото- рых работа прибора невозможна).

А) Подвижная катушка, стрелка, пружина, демпфер

Б) Неподвижная катушка, подвижная катушка, пружина, стрелка

В) Подвижная катушка, неподвижная катушка, пружина, демпфер

8. Можно ли каркас подвижной рамки прибора с воздушным демпфером сделать пластмассовым?

9. Какую шкалу имеют:

1) ваттметры;

2) вольтметры;

3) амперметры электродинамической системы?

10. Можно ли приборы электродинамической системы применять для измерений:

а) в цепях переменного тока;

б) в цепях постоянного тока?

11. 
    Определите пределы допустимых абсолютной и относительной погреш­ностей амперметра, если его верхний предел измерений равен 1 А, а класс точности 1,5.
    
12. 
    Зарисуйте схемы подключения электродинамических приборов.