Электродинамические измерительные приборы

Электродинамические ИМ (рис. 5.13). Они работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвижных катушек 1 (круглой или прямоугольной формы), соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2. Для подвода тока в подвижную катушку и создания противодействующего момента применяют спиральные пружины.

Чтобы получить вращающий момент М, используют электромагнитную энергию w _э системы из двух катушек, по которым протекают постоянные токи I₁ и I₂, т. е. w _э = 0,5I₁²L₁ +0,5 I₂²L₂ + I₁ I₂ M, где L1, L2 — индуктивности катушек; M — их взаимная индуктивность. Если потоки подвижной и неподвижных катушек совпадают, то взаимная индуктивность M положительна; если потоки направлены в разные стороны — то отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол α изменяется взаимная индуктивность M, зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а индуктивности L₁ и L₂ остаются постоянными. Вращающий момент

М = I₁ I₂ (∂ M/∂α). (5.26)

Рис. 5.13. Устройство электродинамического ИМ

При некоторых определенных соотношениях размеров подвижной и неподвижных катушек можно получить ∂ M/∂α = const в пределах рабочей части шкалы. Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля неподвижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. М=М_α. Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма

α = (1/W) I₁ I₂ (∂ M/∂α). (5.27)

При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока мгновенное значение вращающего момента

m(t) = i₁ i₂ (∂ M/∂α) (5.28)

где i₁ = I_maxlSin(ωt + φ₁); i₂ = I_max2Sin(ωt + φ₂) — мгновенные значения токов в катушках (φ₁ , φ₂| — начальные углы сдвига фаз).

Среднее значение вращающего момента за период, на который реагирует подвижная часть ИМ,

где I₁, I₂ — среднеквадратические значения токов в катушках; φ = φ₁ - φ₂ — угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂.

Угол отклонения подвижной части ИМ

α = (1/W) I₁ I₂ cos (∂ M/∂α). (5.30)

показывает, что при несовпадении по фазе токов отклонение подвижной части α пропорционально произведению среднеквадратических значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические ИМ содержат две цепи тока, поэтому являются множительными устройствами и обладают фазочувствительностью. Данная особенность позволяет применять их не только для измерения тока, напряжения, но мощности и фазы.

Достоинства электродинамических ИМ — высокая точность и возможность использования их в цепях постоянного и переменного токов; недостатки—малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей на показания ИМ (слабое собственное магнитное поле), большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).

Электродинамические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазометрах.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирование измерительного механизма, или астатирование. При астатическом исполнении имеются два измерительных механизма с общей осью. Собственные магнитные поля ИМ направлены в противоположные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изменяет их суммарного вращающего момента.

Электродинамические амперметры и вольтметры. Если неподвижные и подвижные катушки соединить последовательно и по ним пропустить один и тот же ток I = I₁ = I₂, то угол отклонения подвижной части ИМ

α = (1/W) I² (∂ M/∂α) = (1/W) kU² (∂ M/∂α). (5.31)

где k — коэффициент пропорциональности.

Следовательно, отклонение подвижной части прибора пропорционально квадрату тока (напряжения). При изменении направления токов в обеих катушках отклонение подвижной части прибора останется прежним. Так как токи I₁ и I₂ совпадают по фазе, то прибор может иметь одну шкалу для постоянных и переменных токов (например, для амперметров на малые токи до 0,1 А и вольтметров). При токах выше 0,1 А катушки соединяются параллельно.

Электродинамические амперметры используют для измерения токов 0,1 —10 А. Использование их в маломощных цепях для измерения токов миллиамперного диапазона ограничивается большой мощностью потребления и малой чувствительностью. Изменение пределов измерения достигается секционированием неподвижных катушек, а также комбинацией последовательно-параллельного соединения секций неподвижных катушек с подвижной катушкой.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно с добавочным резистором и по ним проходит один и тот же ток.

Электродинамические вольтметры выпускают на несколько пределов (до 300 В) и используют в основном для точных измерений. Внутреннее сопротивление их мало (примерно 1 кОм на пределе 30 В), мощность потребления изменяется в зависимости от предела измерения и достигает 10 Вт, чувствительность низкая.

Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть расширены с помощью измерительных трансформаторов токов и напряжений.