10-е. Электромагнитные приборы вокруг нас

Электромагнитные приборыи ихустройство.

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. 324, а) или круглой (рис. 324,б) катушкой.

9-1-22-300x127.pngРис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками

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. Сила притяжения F, как было показано в § 93, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

M = c1I2 (96)

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 I2.

Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом Mпр = c2α, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = Mпр, откуда

α= (c1/c2) I2 = kI2 (97)

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.

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.

9-1-25-300x247.pngРис. 325. Устройство астатического измерительного механизма

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.

image023.png

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 = LI2/2, где L — индуктивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2.

Выражение для вращающего момента представляется как

image025.jpg (4.9)

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

Из выражения:

image027.jpg (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).

а) 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.

Недостаткамиявляются:

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.

<center>

Прибор состоит из прямоугольной неподвижной катушки 5, через которую проходит измеряемый ток. Катушка имеет узкую щель, в которую может входить сердечник, выполненный в виде тонкого лепестка 2 из магнитомягкой стали и закрепленной эксцентрично на оси прибора. К этой же оси прикреплены указательная стрелка 1, спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент, и поршень 4 воздушного успокоителя 3, создающего демпфирующий момент. Концы оси прибора удерживаются в подшипниках. Ток I, проходя через витки катушки, создает магнитный поток, который, намагничивая стальной сердечник, втягивает его в катушку, причем тем сильнее, чем больше магнитная индукция поля катушки. При втягивании стального сердечника ось прибора поворачивается и стрелка отклоняется на некоторый угол.

При изменении направления тока в катушке электромагнитного прибора меняются одновременно на противоположные магнитные полюсы ферромагнитного сердечника, вследствие чего направление вращающего момента подвижной части прибора не меняется. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Основные достоинства приборов электромагнитной системы — простота и надежность устройства, высокая перегрузочная способность, дешевизна и возможность использования для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

К недостаткам приборов электромагнитной системы можно отнести невысокий класс точности, который обычно не выше 1,0 из-за влияния гистерезиса; относительно большое собственное потребление мощности; неравномерность шкалы; низкая чувствительность, из-за чего эти приборы непригодны для измерения малых токов и напряжений; зависимость показаний от внешних магнитных полей, так как собственное поле катушки расположено в воздушной среде, поэтому его индукция незначительна; ограниченность диапазона частот (не свыше 8000 Гц).

</center>

В основе работы приборов электромагнитной системы лежит принцип механического взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.

Устройство прибора схематически изображено на рис. 11.4. Сердечник 3 из магнитомягкого материала втягивается в катушку 1 при протекании тока по ее обмотке. Противодействующий момент создается пружиной 2.

Рис. 11.4

Демпфирование осуществляется воздушным демпфером 4, представляющим собой гильзу, в которой может перемещаться легкий поршень, связанный со стрелкой.

Вращающий момент пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же измеряемым током, протекающим по катушке:

Последнее выражение показывает, что угол отклонения стрелки пропорционален квадрату силы тока или напряжения. Шкала прибора квадратичная, сжатая вначале.

Приборы электромагнитной системы широко применяются для измерений в цепях постоянного и переменного токов. Они просты и надежны, обладают высокой перегрузочной способностью и механической прочностью. Однако этим приборам присущ ряд недостатков, основными из которых являются низкая чувствительность, невысокая точность, значительное собственное потребление энергии, неравномерность шкалы.

Карточка № 11.6 (164) Приборы электромагнитной системы

На чем основан принцип действия приборов электромагнитной смете- мы?

На взаимодействии магнитного ноля катушки и ферромагнитного сердечника

218

На взаимодействии постоянного магнита и рамки, по которой протекает ток

241

На взаимодействии проводников, по которым протекает ток

175

Укажите основные детали прибора электромагнитной системы (без которых работа прибора невозможна).

Катушка, сердечник, стрелка, шкала.

134

Катушка, сердечник, демпфер, стрелка

155

Катушка, сердечник, пружина, стрелка

124

Катушка, сердечник, пружина, демпфер

104

Чему пропорциональны:

  • а) противодейству- ющий момент;
  • б) вращающий момент;
  • в) угол отклонения стрелки?

а)а; б в

24

а)а; б)а; в)/2

84

а)/2; б)/2; в)/2

14

Можно ли прибор электромагнитной системы использовать для измерений:

  • а) в цепях переменного тока;
  • б) в цепях постоян- ного тока?

а) Можно; б) можно

74

а) Можно; б) нельзя

165

а) Нельзя; б) можно

94

а) Нельзя; б) нельзя

235

Может ли зазор между поршнем и цилиндром в воздушном демпфере:

  • а) быть большим;
  • б) отсутствовать?

а) Может; б) не может

54

а) Не может; б) не может

44

а) Не может; б) может

145

Рис. 2.3. Механизм электромагнитного прибора

Принцип действия электромагнитного прибора основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки 1 (рис. 2.3), создаваемого измеряемым током /изм, с одним или несколькими подвижными ферромагнитными сердечниками 2. Противодействующий момент в механизме создается двумя спиральными пружинами 3. Указатель отсчетного устройства прибора (стрелка) 4 жестко укреплен на оси вращения.

При включении прибора в цепь постоянного или переменного тока вокруг катушки создается магнитное поле (Фк). Это поле, пронизывая подвижный ферромагнитный сердечник, создает постоянное магнитное поле (Фс). Взаимодействие двух полей приводит к созданию силы, втягивающей сердечник в полость катушки. Это взаимодействие продолжается до тех пор, пока энергия магнитной системы станет наибольшей.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть механизма, будет при этом пропорционален производной энергии поля по углу перемещения:

где еНГ^а — производная энергии по углу; с1Ь/с1а — производная индуктивности катушки по углу.

Функцию преобразования (угол отклонения подвижной части) прибора можно определить из условия (2.3)

Из (2.7) следует, что шкала электромагнитного прибора неравномерная, так как угол а пропорционален квадрату измеряемого тока. Для уменьшения неравномерности шкалы необходимо, чтобы чувствительность прибора

изменялась равномерно во всем диапазоне измерений прибора. Это достигается выбором формы сердечника и его взаимным размещением по отношению к катушке.

Электромагнитные приборы можно использовать как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока. Однако вследствие потерь энергии электромагнитного поля на перемагничива- ние показания прибора в цепи постоянного и синусоидального токов различаются. Если различия не превышают нормированного (для данного класса точности) значения, прибор можно использовать для измерений как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока. В этом случае на его шкалу при поверке (или изготовлении) наносят обозначения переменного и постоянного токов.

Вследствие того что собственное магнитное поле электромагнитного прибора слабое, так как оно замыкается по воздуху, на его работу влияют посторонние поля. Для уменьшения этих влияний механизм прибора экранируют.

Особенности электромагнитных приборов — возможность применения в цепях постоянного и переменного токов, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного измерения больших токов (до нескольких сотен ампер) и напряжений (до нескольких сотен вольт), простота конструкции, высокая надежность и невысокая стоимость. В системах синусоидального тока приборы показывают действующее значение измеряемых величин. Однако у приборов неравномерная шкала, невысокая чувствительность (особенно в начале диапазона измерений), большое собственное потребление мощности. На параметры приборов влияют внешние магнитные поля, изменение частоты тока и температуры окружающей среды.

Электромагнитные приборы преимущественно используют в качестве щитовых амперметров и вольтметров в системах постоянного и переменного токов, в качестве щитовых амперметров и вольтметров комплектных трансформаторных подстанций, нетрадиционных источников электроснабжения и др.

Используемые источники:

  • https://electrono.ru/elektroizmeritelnye-pribory-i-metody-izmerenij/97-elektromagnitnye-pribory
  • https://studopedia.ru/1_126608_elektromagnitnie-pribori.html
  • https://studref.com/583335/tehnika/pribory_elektromagnitnoy_sistemy
  • https://studme.org/238375/tehnika/pribory_elektromagnitnoy_sistemy
  • https://studref.com/418210/matematika_himiya_fizik/elektromagnitnye_pribory