Основы функционирования систем сервиса ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Электрические измерения и приборы • Для правильной эксплуатации электрических установок необходимо систематически проводить измерения электрических величин, характеризующих работу этих установок, осуществляют их с помощью электроизмерительных приборов. • Принцип измерения электрических величин был впервые предложен основоположником русской науки М. В. Ломоносовым, который экспериментально пришел к выводу, что «электричество взвешено быть может» . • Первый электроизмерительный прибор был построен в России современником М. В. Ломоносова Г. В. Рихманом. Это был электрометр со шкалой и стрелкой, принцип действия которого положен в основу устройства большинства современных приборов. 2

Классификация электроизмерительных приборов • Электроизмерительные приборы классифицируют по следующим признакам: • По роду измеряемой величины • По роду измеряемого тока • По степени точности • По принципу действия: 3

Классификация электроизмерительных приборов • По роду измеряемой величины: для измерения тока — амперметры, миллиамперметры, гальванометры; для измерения напряжения — вольтметры, милливольтметры, гальванометры; для измерения мощности — ваттметры, киловаттметры; для измерения энергии — счетчики; для измерения сдвига фаз и коэффициента мощности — фазометры; для измерения частоты — частотометры; для измерения сопротивлений — омметры и мегомметры и т. д. • По роду измеряемого тока: для измерения в цепях постоянного, переменного, постоянного и переменного токов, а также в трехфазных цепях. 4

Классификация электроизмерительных приборов • По степени точности: приборы делят на восемь классов точности — 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5 и 4, 0. Номер класса означает процент допустимой приведенной погрешности. Приборы, имеющие погрешности более 4, 0%, считаются внеклассными (это щитовые и учебные приборы и т. д. ). Приборы классов точности 0, 05; 0, 1; 0, 2 и 0, 5 используются для более точных измерений как контрольные (для проверки других приборов) и как лабораторные. • По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, тепловые, термоэлектрические, электростатические, электронные, электролитические, фотоэлектрические. 5

Электроизмерительные приборы • Электроизмерительные приборы должны удовлетворять следующим требованиям: • а) погрешность прибора не должна превышать его класс точности и изменяться в процессе эксплуатации; • б) на показания прибора не должны влиять внешние электрические поля и изменения температуры; • в) шкала или ее рабочая часть должны быть по возможности равномерной и проградуированной в практических единицах; • г) прибор должен иметь хорошую успокоительную систему, чтобы колебания стрелки прибора быстро прекращались (затухали); • д) прибор должен быть стойким к перегрузкам и иметь хорошую изоляцию. 6

Погрешности электрических измерений 7

Основные детали электроизмерительных приборов • Устройство для создания противодействующего момента. • Принцип работы большинства стрелочных электроизмерительных приборов основан на повороте подвижной их части под действием вращающего момента. Он создается током, связанным определенной зависимостью с измеряемой электрической величиной. 8

Основные детали электроизмерительных приборов • Устройство для создания противодействующего момента. • Если этому повороту ничем не противодействовать, то подвижная часть прибора либо повернется на наибольший возможный угол, либо придет в ускоренное движение. Противодействующий момент у большинства приборов создается закручивающейся упругой бронзовой пружиной 1, концы которой прикреплены: один — к оси подвижной части прибора 2, а другой — к неподвижной части прибора (к вилке пружинодержателя) 3. 9

Основные детали электроизмерительных приборов • Устройство для создания противодействующего момента. Чем больше ток, проходящий через прибор, тем больше вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора. Под действием этого вращающего момента подвижная часть прибора поворачивается, закручивая спиральную пружину. Пружина, в свою очередь, препятствует этому повороту. Поворот будет происходить до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются: Мвр = Мпр. 10

Основные детали электроизмерительных приборов • Устройство для создания противодействующего момента. Кроме того, спиральная пружина возвращает подвижную часть прибора в первоначальное (нулевое) положение после того, как прибор выключен из цепи. • Для уравновешивания стрелки прибора иногда применяют грузики 4 (противовесы), навинченные на стержни с мелкой резьбой, посредством которой можно изменять расстояние грузиков от оси вращения. 11

Основные детали электроизмерительных приборов • Устройство для создания противодействующего момента. • Для установки стрелки прибора против нулевого деления служит корректор, состоящий из поводка 5 и винта 6. Эксцентрично поворачивающийся выступ винта 6 изменяет положение пружинодержателя 3 и одного конца спиральной пружины 1, поворачивая тем самым стрелку 7 в нужную сторону. У многих приборов по две противодействующих пружины. Они помещаются либо рядом, либо у концов оси подвижной системы. 12

Основные детали электроизмерительных приборов • Шкалы приборов. Шкала прибора служит для отсчета значений измеряемой величины. Кроме того, на шкалу обычно наносят услов ные обозначения, соответствующие характеристикам данного прибора (род измеряемой величины, род тока, класс точности, принцип действия и т. д. ). • В многопредельных приборах шкала имеет определенное число условных делений, по которым путем пересчета определяют измеряемую величину в нужных единицах. Шкалы других приборов градуируют непосредственно в значениях измеряемой величины, — это шкалы непосредственного отсчета. • Различают равномерные и неравномерные шкалы. Достоинством равномерной является постоянство масштаба вдоль всей шкалы, что обеспечивает простоту отсчета измеряемой величины в любой части шкалы. 13

Основные детали электроизмерительных приборов • Обычно в стрелочных приборах стрелка находится на некотором расстоянии от шкалы, а для снятия показаний приборов приходится проецировать положение стрелки на шкалу. • При этом положение проекции стрелки зависит от угла между лучом зрения на стрелку и плоскостью шкалы, т. е. от положения глаза относительно стрелки и шкалы. • Для устранения этой параллактической погрешности на шкалах наиболее точных приборов укрепляют плоскую зеркальную пластину. Отсчет показаний снимают одним глазом, причем глаз располагают относительно стрелки и шкалы так, чтобы стрелка и ее изображение в зеркале сливались воедино. 14

Основные детали электроизмерительных приборов • Успокоители. Подвижную часть прибора с противодействующей спиральной пружиной можно рассматривать как некоторую колебательную систему. В самом деле, при включении прибора в цепь подвижная его часть под действием толчка, создаваемого быстро нарастающим вращающим моментом, поворачивается, но не cразу • может остановиться в положении, в котором вращающий и противо действующий моменты равны (подобно тому, как маятник не в состоянии остановиться, проходя через положение равновесия). Подвижная часть прибора будет совершать затухающие колебания, и для снятия показаний необходимо некоторое время для полной остановки его стрелки. • Для быстрой остановки подвижной части прибора применяют специальные устройства — успокоители. Наиболее распространенными успокоителями 15 являются воздушные и магнитоиндукционные.

Основные детали электроизмерительных приборов • Воздушный успокоитель представляет собой дугообразный цилиндр 1, запаянный с одного конца. Внутри цилиндра находится поршень 2. Он жестко связан с подвижной частью прибора и не касается стенок цилиндра. Зазор между поршнем и цилиндром невелик и при быстрых перемещениях поршня давление внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. В цилиндре создаются то сгущения, то разрежения воздуха, которые препятствуют движению поршня и тем самым быстро успокаивают подвижную систему. При медленном же движении поршня часть воздуха может свободно входить в цилиндр и выходить из него через зазор, не препятствуя поворотам подвижной части прибора. 16

Основные детали электроизмерительных приборов • Воздушный успокоитель может иметь форму замкнутой коробочки со щелью. Эта щель служит для перемещения рычага 1, на котором укреплена пластинка 2. Последняя не касается стенок коробочки и выполняет ту же роль, что и поршень. • При движении пластинки в коробочке одновременно действуют и сгущения (по одну сторону пластинки) и разрежения (по другую сторону), препятствующие колебаниям. 17

Основные детали электроизмерительных приборов • Магнитоиндукционный успокоитель представляет собой перемещающуюся между полюсами постоянного магнита М легкую алюминиевую пластину Л, жестко связанную с подвижной системой прибора. При колебаниях пластинки в магнитном поле постоянного магнита в соответствии с законом Ленца в ней индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, поэтому колебания подвижной системы и стрелки быстро прекращаются. 18

Основные детали электроизмерительных приборов • Астатические измерительные приборы применяют для устранения влияния внешних магнитных полей на показания электромагнитных и электродинамических приборов. Астатический прибор — это совокупность двух измерительных механизмов, подвижные системы которых объединены в одном приборе и воздействуют на одну и ту же ось со стрелкой. При этом измерительные механизмы расположены так, что под действием внешнего поля вращающий момент одного из них увеличивается, тогда как другого на столько же уменьшается, а общий вращающий момент, действующий на всю подвижную систему прибора, остается неизменным. 19

Основные детали электроизмерительных приборов • устройство астатического электромагнитного механизма • устройство астатического электродинамического механизма 20

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов Род измеряемой величины Ток Название прибора Условное обозначение Напряжение Амперметр Миллиамперметр Микроамперметр Вольтметр Электрическая мощность Электрическая энергия Милливольтметр Ваттметр Киловаттметр Счетчик киловатт часов W k. Wh Фазометр Частотометр Омметр Мегомметр φ Hz Ω MΩ Сдвиг фаз Частота Электрическое сопротивление А т. А µA V m. V 21

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов Система прибора Условное обозначение Магнитоэлектрическая: с подвижной рамкой и механической противодействующей силой с подвижными рамками, без механической противодействующей силы (логометр) Электромагнитная: с механической противодействующей силой Электродинамическая (без экрана): с механической противодействующей силой 22

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов Условное обозначение (ГОСТ 1845— 59) Расшифровка условного обозначения Прибор постоянного тока Прибор постоянного и переменного токов Прибор переменного тока Трехфазный прибор Прибор класса точности 1, 5 Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряже нием 2 к. В Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи не 23 соответ ствует нормам

Магнитоэлектрические приборы • Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводника с током (рамки 3) с магнитным полем постоянного магнита М. • Подковообразный постоянный магнит М, стальные полюсные наконечники N и S, стальной цилиндр 2 образуют магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). 24

Магнитоэлектрические приборы • Благодаря форме полюсных наконечников в большей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создается радиально направленное однородное магнитное поле, в котором может поворачиваться подвижная рамка 3. Рамку прибора (обмотку) чаще всего выполняют из изолированного провода на легком алюминиевом каркасе, укрепленном на двух полуосях. Измеряемый ток проходит в рамку через токоведущие спиральные пружины 5, 25

Магнитоэлектрические приборы • При протекании тока по рамке на ее стороны, находящиеся в воздушном зазоре, действует пара сил (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создающая вращающий момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение — по закону Ампера: • Благодаря тому что магнитное поле в рабочем зазоре радиальное (sin β = 1), то момент этой пары сил (вращающий момент) равен 27

Магнитоэлектрические приборы • Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерная. Механизм магнитоэлектрического прибора может быть использован для устройства гальванометра, амперметра и вольтметра. Ток, проходя по обмотке рамки, создает напряжение U = IR, равное приложенному, тогда 28

Магнитоэлектрические приборы • Из соотношения следует, что магнитоэлектрический механизм можно использовать для изготовления вольтметра. В этом случае сопротивление рамки должно быть достаточно большим с тем, чтобы прибор можно было включать параллельно нагрузкам. Однако для этого пришлось бы рамку делать из большего числа витков тонкой проволоки (а для амперметра — из небольшого числа витков толстой проволоки). Как в том, так и в другом случае рамка получилась бы тяжелой, а прибор — грубым. На практике рамки амперметров и вольтметров не имеют принципиального различия. В первом случае рамку шунтируют, а во втором — последовательно с ней включают добавочное 29 гасящее сопротивление

Магнитоэлектрические приборы • Принцип градуирования магнитоэлектрического прибора в качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимости между током в рамке и приложенным к ней измеряемым напряжением. • Для переменных токов эти приборы без дополнительных устройств — выпрямителей — непригодны, так как направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока в рамке. Следовательно, в цепи переменного тока подвижная часть прибора ничего не покажет. Поэтому, если нулевое деление шкалы находится не в ее середине, а на левом краю, то около зажимов прибора ставятся знаки «+» и «—» , к которым следует подключать провода соответствующей полярности. При неправильном включении такого прибора стрелка упирается в ограничитель, стремясь уйти в противоположную сторону за нулевое деление шкалы. 30

Магнитоэлектрические приборы • Изменения температуры окружающей среды могут влиять на изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства приблизительно компенсируют друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т. е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение упругости пружин примерно на столько же уменьшает противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из за изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на показаниях вольтметров. 31

Магнитоэлектрические приборы • У вольтметра сопротивление рамки значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора почти не изменяется. • Для устранения температурной погрешности в некоторых приборах применяют специальные схемы так называемой температурной компенсации. • Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас, на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нем индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная система прибора быстро успокаивается. 32

Магнитоэлектрические приборы • Чувствительность прибора - это отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение. • К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: равномерная шкала; большая точность при малой чувствительности, высокая чувствительность при малой точности (гальванометр); малая чувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии. • Недостатками таких приборов являются: пригодность только для постоянных токов (без выпрямителей), большая чувствительность к перегрузкам, сравнительно высокая стоимость. 33

Электромагнитные приборы • Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле. Неподвижная катушка 1 состоит из каркаса с навитой изолированной медной проволокой или медной лентой. При протекании измеряемого тока по обмотке катушки в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. 34

Электромагнитные приборы • Вне катушки на агатовых подпятниках устанавливается ось 3 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь щели, поворачивая тем самым и ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент. 35

Электромагнитные приборы • Пусть катушка с током 1 создает магнитное поле, которое намагничивает фасонный стальной сердечник и создает некоторую силу F, стремящуюся повернуть сердечник вокруг оси. При перемещении точки С сердечника по дуге dl будет совершена работа. • Работа d. ABP совершается за счет энергии магнитного поля катушки d. WМ 36

Электромагнитные приборы • Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она, в основном, должна быть квадратичной, т. е. сжатой в начале и растянутой в конце. Однако путем придания фасонной формы сердечнику и расположением его в катушке можно существенно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равномерной в рабочей части. • При измерении переменного тока подвижная система прибора поворачивается на некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момента за период. 37

Электромагнитные приборы • Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно изменяется направление магнитной индукций внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притягивание) не изменяется. Этот же вывод следует и из выражения вращающего момента, в которое значение тока входит в квадрате. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны и для измерения переменных токов. При измерении переменного тока подвижная система прибора поворачивается на некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момента за период. 38

Электромагнитные приборы • Определим вращающий момент подвижной системы прибора. • Пусть измеряемый ток изменяется по закону тогда мгновенное значение вращающего момента равно а среднее за период значение этого момента 39

Электромагнитные приборы • Таким образом, среднее значение вращающего момента, действующего на подвижную систему электромагнитного прибора при измерениях переменного тока, пропорционально квадрату действующего значения переменного тока, т. е. МСР = k. I 2. Квадратичная зависимость угла поворота подвижной системы электромагнитного прибора от тока имеет простое физическое объяснение: ток в катушке создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. В результате намагниченный сердечник взаимодействует с катушкой, при этом намагниченность сердечника изменяется вместе с изменениями тока в катушке. 40

Электромагнитные приборы • Приборы с круглой катушкой измеряемый ток протекает по обмотке круглой катушки 1 и создает внутри нее магнитное поле, в котором помещаются два стальных сердечника: один — неподвижный 2, прикрепленный к каркасу, другой — подвижный 3, связанный с осью прибора. Близлежащие концы сердечника под действием магнитного поля катушки намагничиваются одноименно и отталкиваются, вызывая соответствующий измеряемому току поворот подвижной системы. 41

Электромагнитные приборы • Электромагнитные приборы применяются как амперметры и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки. • Применение стальных сердечников в электромагнитных приборах вызывает разные показания при измерениях в цепях постоянного и переменного токов, так как в цепях переменного тока добавляются потери на гистерезис и на вихревые токи. Поэтому электромагнитные приборы, как правило, градуируют либо для постоянного тока, либо для переменного. Для уменьшения погрешности от гистерезиса сердечники некоторых приборов (класс 0, 2) изготовляют из специального сплава — пермаллоя с особо малым значением коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей у некоторых электромагнитных приборов применяют астатические измерительные механизмы. 42

Электромагнитные приборы • Для успокоения колебаний подвижной системы в электромагнитных приборах с плоской катушкой применяют воздушные успокоители, а в приборах с круглой катушкой — чаще магнитоиндукционные. • Достоинствами электромагнитных приборов являются: простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для постоянных и переменных токов, невысокая стоимость и возможность широкого использования в качестве щитовых приборов. • Недостатки этих приборов — неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на показания приборов, малая чувствительность. 43

Электродинамические приборы • Принцип действия приборов электродинамической системы основан на механическом взаимодействии двух катушек с токами. Измерительный механизм электродинамического прибора с воздушным успокоителем 3. Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций (для создания однородного поля) и навивается обычно толстой проволокой. • Легкая подвижная катушка 2 помещается внутри неподвижной и жестко скрепляется с осью и стрелкой. Подвижная катушка включается в измеряемую цепь через спиральные пружины, создающие противодействующий момент. 44

Электродинамические приборы • Если токи в катушках 1 и 2 принять равными соответственно I 1 и I 2, то их взаимодействие создаст вращающий момент МВР, стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы энергия магнитного поля системы двух катушек стала наибольшей (до совпадения направлений полей). При этом поворот подвижной катушки произойдет за счет энергии магнитного поля катушек. Тогда вращающий момент МВР, действующий на подвижную катушку можно представить в следующем виде: 45

Электродинамические приборы • Энергия магнитного поля системы двух катушек WM складывается из энергий катушек и энергии, обусловленной их взаимной индукцией 46

Электродинамические приборы • Пригодность электродинамических приборов для переменных токов объясняется тем, что направления токов в обеих катушках изменяются на противоположные одновременно (или с постоянным сдвигом по фазе), а следовательно, направление поворота подвижной катушки остается неизменным. 47

Электродинамические приборы • В зависимости от назначения прибора катушки в нем могут быть соединены либо последовательно — в вольтметре (а), либо параллельно — в амперметре (б), либо в разные цепи — в ваттметре (в). • Из выражения вращающего момента следует, что изменение направления тока в какой либо одной из катушек приведет к изменению направления поворота подвижной системы на противоположное. 48

Электродинамические приборы • У вольтметров и амперметров взаимное соединение концов обмоток сделано внутри прибора, а к зажимам прибора выведены только два конца, подключаемые в цепь. • Шкалы электродинамических вольтметров и амперметров неравномерны, так как токи в обоих катушках пропорциональны одной и той же измеряемой величине: для вольтметра — ток в обоих катушках один и тот же, поэтому • т. е. шкала неравномерная (квадратичная); 49

Электродинамические приборы • для амперметра • где R 1 и R 2 — сопротивления подвижной и неподвижной катушек. Откуда • Точно так же и для I 2 • Тогда • т. е. для амперметра шкала также квадратичная. 50

Электродинамические приборы • Однако на практике добиваются приблизительно равномерной шкалы в ее рабочей части подбором взаимного расположения катушек и их формы. • На показания электродинамических приборов могут влиять внешние магнитные поля, так как собственное поле катушек слабое. Для устранения этого влияния применяют астатические измерительные механизмы. • Приборы электродинамической системы изготовляют и применяют в основном как переносные лабораторные приборы классов точности 0, 1; 0, 2 и 0, 5. • К достоинствам электродинамических приборов относятся: большая точность, позволяющая применить их в лабораторной практике как контрольные, и пригодность для измерения постоянных и переменных токов, а к недостаткам — неравномерная шкала; большая чувствительность к перегрузкам (из за наличия токоведущих пружин); влияние внешних магнитных полей и высокая стоимость. 51

Ферродинамические приборы • Малое значение вращающего момента электродинами ческого прибора может быть значительно увеличено введением магнитной цепи из ферромагнитных материалов. • Ферродинамический прибор состоит из стального сердечника 2, на который насажена неподвижная катушка 1, состоящая из двух секций. В воздушном зазоре между сердечником и стальным цилиндром 4 может вращаться подвижная катушка 3. Такой прибор очень похож на магнитоэлектрический, в котором роль постоянного магнита выполняет катушка с током 52

Ферродинамические приборы • Введение стального сердечника приводит к значительному повышению чувствительности и ослаблению влияния внешних магнитных полей, но вместе с этим появляются потери на гистерезис и вихревые токи, снижающие точность приборов. Ферродинамические приборы изготовляют классов точности 1, 0 и 1, 5. 53

Электродинамические ваттметры • Наличие двух катушек у электродинамического прибора и возможность включения их в две разные цепи позволяет использовать эти приборы для измерения мощности электрического тока, т. е. как ваттметры. • Из выражения для угла поворота подвижной системы электродинамического прибора следует, что, если неподвижную катушку включить последовательно нагрузке z 54

Электродинамические ваттметры • Последовательно с подвижной катушкой включить добавочное сопротивление RA так, чтобы эту катушку можно было включать параллельно нагрузке, тогда ток в подвижной катушке равен • Такой прибор называют ваттметром. • Его шкала равномерная. • Для измерения электрической мощности в цепях переменного тока используют ваттметры активной и реактивной мощности. 55

Ваттметр активной мощности • Если в цепь подвижной катушки включить активное добавочное сопротивление RД так, чтобы общее сопротивление этой цепи R было равно • Тогда при напряжении и в сети и при токе i в нагрузке z • Ток и в подвижной катушке равен 56

Ваттметр активной мощности • Мгновенное значение вращающего момента в этом случае равно • Среднее за период значение этого момента откуда • Следовательно, ваттметр с активным добавочным сопротивлением в цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи переменного тока. 57

Ваттметр активной мощности • Если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольтметр и ваттметр, то IU ≠ Р, так как подвижная система вольтметра поворачивается под действием только приложенного напряжения, независимо от фазы этого напряжения (под действием тока в катушке, пропорционального приложенному напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока. • Подвижная часть (катушки) ваттметра поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не равны нулю, иначе нет взаимодействия. 58

Ваттметр активной мощности • В рассматриваемой цепи ток подвижной катушки i. К максимален, когда ток в цепи i равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет, так как нагрузка z то запасает энергию в магнитном поле, то возвращает в сеть. Из графика токов данной цепи с индуктивностью следует, что токи совпадают по направлению только в течение двух (через одну) четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют противоположные направления. 59

Ваттметр активной мощности • Направление вращающего момента твр изменяется четыре раза за период. Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет, так как вращающий момент, действующий на подвижную систему, определяется его средним значением за период. 0 6

Ваттметр активной мощности • Если же угол сдвига между токами невелик, то в течение периода положительные значения вращающего момента твр сильно превосходят отрицательные (по времени и по значениям) и подвижная система ваттметра повернется под действием среднего значения МСР, реагируя на активную мощность, потребляемую данной нагрузкой. • Ваттметр показывает активную мощность, потребляемую из сети. 61

Ваттметр реактивной мощности • В ваттметре последовательно с подвижной катушкой специально включается индуктивное добавочное сопротивление x. L такое, что x. L > Rобм • Пусть в цепи действует приложенное напряжение и = Um sin ωt и нагрузка z создает ток i=Imsin(ωt -φ) Тогда мгновенное значение вращающего момента твр равно: твр=ki 1 i 2 где ток i 1 в подвижной катушке можно считать пропорциональным приложенному напряжению u, но отстающим от него по фазе на π/2. 62

Ваттметр реактивной мощности • После подстановки и преобразований получим: • Отсюда и следует, что ваттметр с индуктивным сопротивлением в цепи подвижной катушки показывает реактивную мощность цепи переменного тока. Такой вывод объясняется просто: в случае, например, чисто индуктивной нагрузки, когда из сети безвозвратно не потребляется энергия, такая схема искусственно сдвигает фазу тока в подвижной катушке до совпадения с фазой тока в неподвижной, поэтому ваттметр показывает значение реактивной мощности. 63

Ваттметр реактивной мощности • Итак, у электродинамического ваттметра две катушки: одна — токовая, включаемая последовательно нагрузке, другая— катушка напряжения, включаемая параллельно нагрузке, потребляемую мощность которой необходимо измерить. • Для правильного включения прибора (чтобы стрелка отклонялась в нужную сторону) один из зажимов его обмотки помечают звездочкой (*); эти зажимы ваттметра называют генераторными. Их следует подключать к тому зажиму нагрузки, который соединен с генератором (сетью). 64

Однофазный фазометр • Прибор, предназначенный для непосредственного измерения угла сдвига фаз между током и напряжением или коэффициента мощности cosφ, называют фазометром. • Фазометр состоит из неподвижной катушки К (ее часто делают в виде двух секций), соединенной последовательно с нагрузкой z (коэффициент мощности которой необходимо измерить), и двух подвижных катушек К 1 и К 2, помещенных внутри неподвижной. Подвижные катушки жестко скреплены между собой под некоторым углом, например 90°, и укреплены на общей оси, образуя подвижную систему прибора вместе со стрелкой. 65

Однофазный фазометр • Обе подвижные катушки подключаются параллельно нагрузке, но одна (K 1) — через активное сопротивление R, а другая (К 2) — через большое индуктивное сопротивление x. L. • Противодействующих пружин фазометр не имеет, поэтому у отключенного прибора его подвижная система вместе со стрелкой занимает любое положение. 66

Однофазный фазометр • Чтобы вывести зависимость угла поворота подвижной системы фазометра от значения угла сдвига фаз между током и напряжением, построим его векторную диаграмму. • Для этого произвольно расположим вектор напряжения U. Пусть ток в цепи I отстает от напряжения на угол сдвига фаз φ, магнитный поток Ф, создаваемый этим током нагрузки, совпадает с последним фазе. Ток I 1 в катушке K 1 совпадает по фазе с напряжением U (цепь с активным сопротивлением), а ток I 2 в катушке К 2 отстает по фазе от напряжения на угол 90°. 67

Однофазный фазометр • При включении фазометра в цепь на подвижные катушки начнут действовать силы F 1 и F 2, стремящиеся повернуть соответствующие им катушки в противоположные стороны. Значения этих сил можно определить, пользуясь векторной диаграммой: вращающие моменты, действующие на подвижные катушки, равны соответственно 68

Однофазный фазометр Вращающие моменты, действующие на подвижные катушки, соответственно равны Подставив выражения для сил F 1 и F 2 получим: Под действием вращающих моментов противоположного направления подвижная система начнет поворачиваться в сторону большего вращающего момента, пока не наступит равновесие M 1=M 2 69

Однофазный фазометр • Если подобрать R = x. L т. е. I 1 = I 2, то tgα = tgφ, а α = φ т. е. угол поворота подвижной системы фазометра определяется углом сдвига фаз в цепи нагрузки между током и напряжением. • Полученный вывод имеет следующее физическое объяснение. Обратимся к схеме фазометра. Если отключить цепь катушки К 2, то фазометр превратится в ваттметр активной мощности (без противодействующего момента), так как последовательно с подвижной 70

Однофазный фазометр • так как последовательно с подвижной катушкой К 1 включено большое активное сопротивление R. Если же отключить цепь катушки К 1 то фазометр превратится в ваттметр реактивной мощности, так как последовательно с катушкой К 2 включено большое индуктивное сопротивление x. L, причем их вращающие моменты противоположны по направлению. Таким образом, фазометр представляет собой прибор, в котором объединены два ваттметра (активной и реактивной мощности), имеющие общую подвижную систему. 71

Однофазный фазометр • При включении фазометра в цепь активной нагрузки вращающий момент, действующий на катушку К 2 будет равен нулю (реактивная мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий на катушку К 1, будет максимальным; катушка повернется так, что ее плоскость совпадет с плоскостью неподвижной катушки (противодействующего момента нет) и стрелка установится против крайнего деления шкалы, соответствующего φ = 0 (cosφ = 1). 72

Однофазный фазометр • При включении фазометра в цепь с индуктивностью вращающий момент, действующий на катушку K 1, равен нулю (активная мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий на катушку К 2 будет максимальным (в ней ток и напряжение совпадут по фазе), катушка повернется так, что ее плоскость совпадет с плоскостью неподвижной катушки. Но так как в этой катушке витки навиты в противоположную сторону по сравнению с катушкой K 1 то стрелка прибора повернется в противоположную сторону до другого крайнего деления шкалы, соответствующего φ = 90° (cosφ=0). 73

Однофазный фазометр • Если нагрузка потребляет равные активную и реактивную мощности, то подвижная система займет среднее (симметричное) положение относительно неподвижной, а стрелка прибора займет положение оси неподвижной катушки против деления шкалы, соответствующего φ = 45° и т. д. • если проградуировать шкалу фазометра в значениях угла φ, то шкала такого прибора будет равномерной. Однако на практике чаще интересуются не углом φ, а коэффициентом мощности (cosφ). 74

Однофазный фазометр • Градуировка шкалы в значениях cosφ делает ее сильно неравномерной. Для получения более равномерной шкалы нужно катушки K 1 и К 2 расположить под углом 60° (а не 90°) либо сопротивления R и x. L подобрать так, чтобы токи I 1 и I 2 не были равными. Например, если сопротивления R и x. L выбрать так, чтобы , то , т. е. шкала станет более равномерной. 75

Однофазный фазометр • Из соотношения α = φ следует также, что при перемене знака (при изменении характера нагрузки) направление отклонения стрелки прибора изменится на противоположное. Значит, если нулевое деление шкалы (cosφ =1) расположить в ее середине, то по направлению отклонения стрелки можно судить и о характере нагрузки. На половинах шкал таких фазометров обычно ставят знаки «ЕМК» и «ИНД» , соответствующие емкостному или индуктивному характеру нагрузок. Вместе с тем на практике встречаются приборы, у которых для увеличения длины шкалы нулевое деление ставят в начале. Такой прибор снабжается специальным переключателем для измерения cosφ емкостной или индуктивной нагрузки. Шкалы таких приборов обычно градуируют одновременно в значениях угла φ и в значениях cosφ. 76

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Принцип действия приборов индукционной системы основан на взаимодействии переменного магнитного потока с индукционным током. В настоящее время промышленность выпускает не только индукционные счетчики электрической энергии. Поэтому при изучении приборов индукционной системы ограничимся рассмотрением только такого счетчика. При этом отметим, что индукционные приборы по принципу их действия пригодны лишь для переменных токов, так как в диске или цилиндре ток может индуцироваться лишь действием переменного магнитного потока. 77

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Если на пути переменного магнитного потока поместить, например, край алюминиевого диска, способного вращаться вокруг некоторого центра, то в диске будет наводиться переменный индукционный ток, взаимодействующий с этим потоком. Однако, применив правило левой руки, легко убедиться, что результирующая сила, действующая на диск, равна нулю. В результате взаимодействия ток будет растягиваться (или сниматься). Поэтому для создания вращающего момента часто используют два магнитных потока, сдвинутых относительно друга по фазе на некоторый угол (например, на 90°). При этом осуществляется взаимодействие потоков с «чужими» (а не «со своими» ) индукционными токами. 78

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: токовую и катушку напряжения. • Токовую катушку (рис. а) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток ФI в ней пропорционален току нагрузки. 79

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Катушку напряжения (рис. б) обычно навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление x. L этого электромагнита несравненно больше активного R (x. L> R), поэтому эту цепь можно считать чисто индуктивной (ток i. U в катушке напряжения отстает по фазе на π/2). 80

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Край алюминиевого диска одновременно пронизывается обоими потоками: дважды — потоком ФI токовой катушки и один раз — потоком ФU катушки 81 напряжения.

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Эти потоки индуцируют в диске токи IДI и IДU соответственно. При этом происходит взаимодействие: ток IДU взаимодействует с потоком Ф 1 (рис. а), а ток IДI , — с потоком ФU (рис. б). Направление индукционных токов IДU и IДI зависит от того, возрастает или убывает создающий в данный момент поток. 82

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Это надо учесть при определений направления действующих на диск сил F 1 и F 2. Учитывая изменения токов IДI и IДU, используя правило Ленца и применяя правило левой руки, находим, что силы F 1 и F 2, создающие вращающий момент, имеют одинаковое направление — от опережающего потока к отстающему. 83

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Найдем значения этих сил. По закону Ампера • Мгновенное значение силы f равно • Для сил f 1 и f 2 можно записать 84

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Построим векторную диаграмму. За основной вектор примем вектор приложенного напряжения U. Пусть нагрузка такова, что ток I отстает по фазе от напряжения на некоторый угол φ. Этот ток создает в электромагните магнитный поток ФI совпадающий с ним по фазе. Магнитный поток ФI ; индуцирует в диске ЭДС которая, как известно, отстает по фазе от потока на 90°. Под действием этой ЭДС ﻉ ДI в диске возникает индукционный ток I. Если предположить сопротивление материала диска чисто активным, то IДI и ﻉ ДI совпадут по фазе. 85

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Катушку напряжения, имеющую большое число витков и стальной почти замкнутый сердечник, можно рассматривать как чисто индуктивную нагрузку. Поэтому ток в этой катушке IU можно считать «отстающим» по фазе напряжения U на 90°. Этот ток создает магнитный поток ФU, совпадающий с ним по фазе. Магнитный поток ФU, в свою очередь, наводит в диске ЭДС индукции ﻉ ДU , отстающую от него по фазе на 90°. Под действием ЭДС ﻉ ДU в диске возникает индукционный ток IДU, совпадающий по фазе с ЭДС ﻉ ДU 86

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • На основании векторной диаграммы можно записать: 87

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Значение результирующей силы F, действующей на диск, равно а вращающего момента, действующего на диск 88

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Под действием вращающего момента диск пришел бы в ускоренное вращение и число оборотов не соответствовало бы израсходованной электрической энергии, поэтому необходимо наличие противодействующего момента. • Противодействующий момент в индукционном счетчике создается действием поля постоянного магнита и электромагнитов на движущийся край диска Движение диска станет равномерным, когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными 89

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии • Умножим обе части равенства на промежуток времени t 90

Скачать презентацию Основы функционирования систем сервиса ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

ОФСС ПРИБОРЫ.ppt

Количество слайдов: 90