Устройство и применение электродинамического прибора. Работа электродинамического прибора основана на взаимодействии двух катушек, обтекаемых электрическим током. Электродинамический измерительный механизм (рис. 326, а) состоит из двух катушек: неподвижной 2 и расположенной внутри нее подвижной 1. Подвижная катушка 1 связана с осью прибора со стрелкой и с двумя спиральными пружинами 4 (или растяжками), которые служат для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной катушке 1. В приборе применяется демпфер 3, аналогичный ранее рассмотренному.
При прохождении по катушкам токов I1 и I2 возникают электродинамические силы F (рис. 326,б), которые стремятся повернуть подвижную катушку относительно неподвижной на некоторый угол. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку,
M = c1I1I2 (98)
где с1 — постоянная величина, зависящая от параметров катушек (числа витков и размеров), их формы и взаимного расположения.
Повороту подвижной катушки противодействует момент Мпр = = с2?. В момент равновесия М = Мпр, откуда
? = (c1/c2) I1I2 = kI1I2 (99)
где к — постоянная величина.
При переменном токе мгновенное значение вращающего момента М пропорционально произведению мгновенных значений токов i1 и i2, проходящих по катушкам. Средний же за период вращающий момент
Mcp = c1I1I2 cos? (100)
где I1 и I2 — действующие значения токов i1 и i2;? — угол сдвига фаз между ними.
Поэтому при переменном токе
? = кI1I2 cos?.
Значение вращающего момента М, созданного катушками электродинамического прибора, а следовательно, и угол поворота стрелки? пропорциональны произведению проходящих по катушкам токов I1 и I2. Поэтому в зависимости от схемы включения катушек прибор может быть использован в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра.
При включении обеих катушек прибора последовательно в цепь измеряемого тока (рис. 327,а) прибор будет работать в качестве амперметра; при подключении катушек к двум точкам (рис. 327,б), между которыми действует подлежащее измерению напряжение,
Рис. 326. Устройство (а) и принципиальная схема (б) электродинамического измерительного механизма
прибор будет работать в качестве вольтметра. При подключении же одной катушки последовательно, а другой параллельно приемнику электроэнергии (рис. 327, в) угол отклонения стрелки будет пропорционален произведению тока I и напряжения U, т. е. мощности Р=UI и, следовательно, прибор будет работать в качестве ваттметра и измерять мощность, получаемую приемником. При переменном токе и включении катушек по схеме (см. рис. 327, б) угол сдвига фаз? между токами 11 и I2 равен углу сдвига фаз <р между током I и напряжением U. Поэтому
? = kUI cos? = kP (101)
т. е. угол поворота стрелки пропорционален измеряемой мощности.
Достоинствами электродинамических приборов являются пригодность для измерения постоянного и переменного тока, равномерность шкалы у ваттметров и относительно высокая точность по сравнению с другими приборами, предназначенными для измерений в цепях переменного тока. К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам и относительно высокая стоимость.
Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.
Рис. 327. Схемы включения электродинамического прибора в качестве амперметра (а), вольтметра (б) и ваттметра (в)
Рис. 328. Принципиальная схема ферродинамического измерительного механизма
Устройство и применение ферродинамических приборов. Работа фер-родинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала. Неподвижная катушка 2 (рис. 328) размещается на полюсах ферромагнитного сердечника 4, а подвижная 3 поворачивается так же, как и в приборах магнитоэлектрической
системы,— в воздушном зазоре между полюсами 1 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5. При такой конструкции приборы защищены от влияния внешних магнитных полей. Кроме того, увеличиваются магнитные потоки, создаваемые катушками, и возрастает вращающий момент, действующий на подвижную систему.
Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока). Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.
Индукционные приборы
Устройство. Индукционный прибор состоит из двух неподвижных электромагнитов 2 и 3 (рис. 329) и подвижного алюминиевого диска 4, укрепленного на одной оси со стрелкой.
При прохождении переменных токов I1 и I2 по катушкам электромагнитов создаются два магнитных потока Ф1 и Ф2, сдвинутых один относительно другого по фазе, которые пронизывают диск. Эти потоки при своем изменении индуцируют в диске вихревые токи Iв1 и Iв2. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитными полями обоих электромагнитов (тока Iв1 с потоком Ф2и тока Iв2 с потоком Ф1) возникает вращающий момент М, под влияниеВм которого происходит поворот подвижной части прибора. Противодействующий момент в вольтметрах, амперметрах и ваттметрах создается спиральной пружиной 1 или растяжками.
Среднее за период значение вращающего момента М пропорционально произведению действующих значений магнитных потоков Ф1 и Ф2 и синусу угла сдвига фаз? между этими потоками:
M = c1?1?2 sin? (102)
где c1 — постоянная для прибора величина.
Рис. 329. Устройство индукционного измерительного механизма
Чтобы получить наибольшее значение вращающего момента, угол сдвига фаз между потоками устанавливают 90° путем включения в цепи катушек дополнительных активных и реактивных сопротивлений. При этом условии средний вращающий момент в вольтметрах и амперметрах будет пропорционален произведению действующих значений токов I1 и I2, протекающих по катушкам электромагнитов. Этой величиной будет определяться также и угол поворота стрелки:
? = kI1I2 (103)
В ваттметрах? = kUI cos? = kP, так как ток I1 пропорционален току I в цепи, I2 — напряжению U, а угол? равен углу 90° —?.
Применение. Индукционные приборы, так же как и электродинамические, могут быть использованы в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра. Катушки электромагнитов включаются в этих случаях так же, как и катушки электродинамического прибора (см. рис. 327).
Достоинством индукционных приборов являются высокая стойкость к перегрузкам, большой вращающий момент и малая чувствительность к внешним магнитным полям. К недостаткам относятся сравнительно невысокая точность и зависимость показаний от частоты переменного тока и температурных влияний.
Индукционные приборы используют, главным образом, в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии и в промышленных установках и на электровозах переменного тока.