Самыми точными среди других подгрупп электромеханических преобразователей, применяемых в цепях переменном тока, являются электродинамические преобразователи. В настоящее время многие из них выпускаются с классами точности 0.05 и сохраняют свои показания при переходе с постоянного тока на переменный.
Наиболее широкое применение электродинамические преобразователи находят в качестве ваттметров постоянного и переменного тока, амперметров постоянного и переменного токов, фазометров, частотомеров и фарадометров.
Принцип действия электродинамических преобразователей основан на взаимодействии магнитных полей токов, протекающих по неподвижной и подвижной катушкам (или системам катушек).
Электродинамический преобразователь, конструкция которого и схема соединения катушек приведены на рисунке 1,а,б соответственно, включает в себя в общем случае систему неподвижных и подвижных катушек, отсчетное устройство, упругие элементы у преобразователей с механическим противодействующим моментом, успокоитель и средства защиты от внешних магнитных полей.
| а | б |
Рисунок 1 – Электродинамический преобразователь
Неподвижные катушки 1, как правило, выполняют из двух секций, разнесенных в пространстве. Это создает конструктивные удобства при размещении подвижной части и, кроме того, позволяет изменением расстояния между секциями изменять конфигурацию магнитного поля, что используется для линеаризации функции преобразования преобразователя. Выполняются неподвижные катушки, как правило, из медного провода. Подвижная катушка 2 выполняется из медного или алюминиевого провода и размещается внутри неподвижной. Токопроводящими проводниками подвижной катушки служат упругие элементы (спиральные пружины 3), создающие механический противодействующий момент, или безмоментные проводники в логометрах.
По форме катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Первые из них более технологичны в производстве и имеют добротность на 15 - 20 % выше по сравнению с прямоугольными. Это повышает чувствительность преобразователя. Прямоугольные же катушки используются с целью уменьшения размеров прибора.
Наиболее широкое распространение в практике электрических измерений нашли электродинамические амперметры и вольтметры переменного тока, ваттметры постоянного и переменного тока и, реже, фазометры, частотомеры и фарадометры.
Амперметры. В электродинамических амперметрах используются последовательное и параллельное включения подвижной 2 и неподвижной 1 катушек. Последовательное включение катушек (рисунок 2,а) применяется в амперметрах, предназначенных для измерения малых (до 0,5 А) токов. В этом случае токи I1 и I2 в неподвижной и подвижной катушках равны между собой и фазовый сдвиг между ними j равен нулю, т.е. cos j = 1. Выражение для уравнения шкалы для такого амперметра запишется следующим образом:
. (1)
Шкала прибора в принципе является квадратичной, однако путем соответствующего выбора формы, размеров и взаимного расположения катушек можно добиться такого закона изменения взаимной индуктивности М1,2 при изменении угла поворота подвижной части α, что на участке шкалы начиная с 15 – 20 % от ее верхнего предела она будет иметь практически линейный характер.
| а | б |
Рисунок 2 – Амперметры на основе электродинамических преобразователей
Ваттметры. В электродинамических ваттметрах подвижная и неподвижная катушки включаются независимо друг от друга (рисунок 3).
| а | б |
Рисунок 3 – Ваттметры на основе электродинамического преобразователя
Фазометры. Электродинамические фазометры создаются на базе логометрического преобразователя. Электрическая схема фазометра показана на рисунке 4,а.
Неподвижная катушка 5-6 преобразователя образует последовательную (токовую) цепь прибора. Подвижные катушки 1-2 и 3-4 образуют параллельную цепь. Последовательно с подвижной катушкой 3-4 включен резистор R1, имеющего активное сопротивление, а последовательно с катушкой 1-2 - комплексное индуктивное сопротивление, образованное резистором R и индуктивностью L. При такой схеме включения фазометра и индуктивном характере нагрузки ZH векторная диаграмма фазометра будет соответствовать рисунку 4,б.
| а | б |
Рисунок 4 – Фазометр на основе электродинамического преобразователя
Электродинамические фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги в пределах от 0 до 180° (чаще градуируются от плюс 90 до минус 90° с нулем в середине шкалы). Промышленностью выпускаются фазометры с классами точности до 0,1. Достаточно высокая точность их обеспечивается благодаря достоинствам, присущим электродинамическим преобразователям.
Основными недостатками рассмотренных фазометров является то, что они могут работать на фиксированных частотах и напряжениях. Изменение напряжения U требует изменения элементов схемы фазометра R и R1 (для выполнения условия I1 = I2), а значит, и характер шкалы прибора при этом изменится. Изменение частоты также приводит к изменению характера шкалы из-за изменения реактивного сопротивления цепи катушки 1-2, а значит, и соотношения токов I1 и I2.