Електро- та феродинамічні прилади

Характеристика електродинамічного та феродинамічного приладу наведена в таблиці 5.4.

Таблиця 5.4

Електродинамічний та феродинамічний вимірювальний прилад

Конструктивні особливості приладу	Фізичні явища, які покладені в основу принципу дії приладу	Рівняння шкали приладу	Принцип дії приладу
1 – нерухома котушка; 2 – ось; 3 – рухома котушка; 4 – дві спіральні пружини; 5 – стрілочний покажчик; 6 – феромагнітне осердя (для феродинамічного приладу) Рисунок 5.7	Взаємодія магнітних полів рухомої та нерухомої котушок зі струмами	, де IР – струм рухомої котушки; I НР – струм нерухомої котушки	Слід відзначити, що нерухома котушка виготовлена з товстого проводу з малою езистортю витків та має назву котушка струму. Рухома котушка виготовлена з тонкого проводу з великою кількістю витків та має назву котушка напруги. Струм, що вимірюється, подається через вивідні клеми приладу на нерухому котушку та по спіральним пружинам надходить на рухому котушку. В котушках створюються два магнітних поля, які взаємодіють з двома відповідними струмами IР та I НР, як результат створюється момент обертання. Момент обертання здійснює повертання рухомої котушки на кут α. Повертання буде здійснюватись доки момент обертання не стане рівним протидіючому моменту, який створюють спіральні пружини.

Перевагами електродинамічних вимірювальних приладів вважають високу точність, порівняно невелике власне споживання потужності та можливість застосування їх в колах постійного і змінного струму, а недоліками - низьку чутливість, великий вплив зовнішніх магнітних полів через слабке власне магнітне поле вимірювального механізму та обмежений частотний діапазон. Однак, незважаючи на недоліки, електродинамічні амперметри, вольтметри та ватметри широко застосовуються у вимірювальній техніці, оскільки вони забезпечують найвищу точність вимірювань на змінному струмі серед аналогових вимірювальних приладів.

Феродинамічний вимірювальний прилад – це різновид електродинамічного приладу, від якого феродинамічний прилад відрізняється не принципом дії, а конструкцією. Для збільшення чутливості та внутрішнього магнітного поля нерухома котушка феродинамічних приладів розміщена на феродинамічному осерді, між полюсами якого розміщена рухома котушка. Наявність такого осердя істотно збільшує внутрішнє магнітне поле нерухомої котушки і, відповідно, момент обертання і чутливість, а також зменшує власне споживання приладу. Проте, з іншого боку, наявність феромагнітного осердя через не лінійність його магнітних характеристик знижує точність приладу, зокрема, збільшується його частотна похибка і звужується частотний діапазон. У зв’язку з цим феродинамічні прилади мають найвищий клас точності 0,5 і застосовуються, здебільшого, як щитові ватметри, амперметри і вольтметри у колах промислової частоти в умовах істотних механічних впливів.

Розглянемо аналітичні залежності, які описують теорію електродинамічного приладу

- обертаючий момент

; (5.18)

- протидіючий момент

(5.19)

- кут відхилення стрілки при М_О=М_ПР

(5.20)

- чутливість приладу

(5.21)

- постійна приладу

(5.22)

де W – питомий протидіючий момент пружини;

k – конструктивна стала приладу;

ψ – кут зсуву фаз між векторами струмів I_Р та I_Н;

- швидкість зміни взаємної індуктивності двох котушок при переміщенні рухомої котушки на кут α.

В таблиці 5.5 наведена інформація щодо застосування електродинамічних вимірювальних приладів у якості амперметрів, вольтметрів, ватметрів.

Таблиця 5.5

Схеми з’єднання котушок електродинамічних приладів

Вид електродинамічного приладу	Схема з’єднання котушок електродинамічних приладів	Аналітичні залежності
амперметр	Рисунок 5.8
вольтметр	Рисунок 5.9
ватметр	Рисунок 5.10

Розглянемо застосування електродинамічного приладу у якості електродинамічого варметра.

Залежність кута повороту α рухомої частини електродинамічного механізму від кута фазового зсуву φміж струмом та напругою споживача використовують для побудови спеціальних приладів для вимірювання реактивної потужності – варметрів. Такий прилад відрізняється від звичайного ватметра тим, що має ускладнену схему кола напруги – рисунок 5.11. Так як реактивна потужність дорівнює: , то для одержання функції перетворення приладу необхідно добитися 90˚-градусного зсуву між напругою та струмом у колі напруги. При цьому рухома котушка шунтується резистором R, а послідовно з нею вмикається котушка індуктивності L. Тоді функція перетворення буде мати вигляд

(5.23)

Рисунок 5.11 – Схема електродинамічного варметра

Електродинамічні варметри застосовуються переважно для лабораторних досліджень та для перевірки індукційних лічильників реактивної енергії.

Різновидом електродинамічного приладу є електродинамічний логометр – це прилад, який має дві рухомі та дві нерухомі котушки.

Рухомі котушки закріплені на одній осі та отримують живлення через тонкі металеві стрічечки, які не створюють протидіючого моменту. Тому при відсутності струму в котушках стрілочний покажчик замає вільне положення на шкалі приладу. Конструктивна схема приладу наведена на рисунку 5.12.

При роботі логометра нерухомі котушки вмикаються до мережі послідовно з навантаженням. Рухомі котушки включаються паралельно навантаженню, але послідовно з додатковими резисторами. Ці резистори мають різні опори, тому то струми I₁ та I₂ , які проходять через рухомі котушки зсунуті за фазою від напруги на різні кути φ₁ та φ₂, як наслідок, і на різні кути відносно струму навантаження ψ₁ та ψ₂.

1 – дві нерухомі котушки;

2 – дві рухомі котушки;

3 – стрілочний покажчик

та шкала;

4 – металеві стрічечки;

Z_Д1, Z_Д2 - додаткові резистори

Рисунок 5.12 – Конструктивна схема електродинамічного логометра

При взаємодії струму нерухомої котушки зі стумами рухомих котушок I₁ та I₂ створюються два обертаючих моменти М₁ та М₂. Котушки приладу розташовані так, що при певному напрямку струмів I₁ та I₂ напрямки моментів М₁ та М₂ протилежні. Тому то рухома система приладу разом зі стрілочним покажчиком відхиляється в сторону дії більшого обертаючого моменту до тих пір, поки моменти не врівноважаться.

Рівняння шкали електродинамічного логометра має вигляд:

(5.24)

З математичного виразу видно, що у логометричному механізмі кут відхилення стрілочного покажчика залежить від відношення струмів,які проходять по рухомим котушкам та від косинусів кутів зсуву фаз цих струмів відповідно струму, який проходить через нерухому котушку. Ця властивість електродинамічного логометра застосовується у переносних та щитових фазометрах та частотомірах промислової частоти.