Електростатичні механізми та їх застосування

В електростатичних механізмах переміщення рухомої частини відбувається під дією енергії електричного поля системи двох або кількох електрично заряджених провідників. Переміщення рухомої частини відбувається за рахунок безпосередньо прикладеної напруги, тому ця система використовується у вольтметрах.

Існують 2 види механізмів:

1) змінна ємності відбувається за рахунок зміни активної площі електродів;

2) змінна ємності відбувається за рахунок зміни відстані між електродами.

Механізми із змінною активної площі пластини зображений на рисунку 3. Нерухома частина складається

Рис.3 з електрично з’єднаних електродів 1. Сектороподібна пластина 2 з вказівником 3, закріплена на осі створює рухому частину. Під дією напруги підведеної до електродів створюється електричне поле. Сили цього поля намагаються повернути рухому частину так, щоб енергія електричного поля була максимальною, тобто втягують рухомий електрод в простір між нерухомими електродами, обертаючи при цьому вказівник. Рухома частина кріпиться на опорах, розтяжках або підвісі, в якості вказівника крім стрілки може використовуватись світловий промінь. Електроди виготовляються з алюмінію.

Заспокоєння як правило, магнітоіндукційне, інколи – повітряне. Обертальний момент електростатичного механізму:

(7)

U – значення напруги ( або діюче значення напруги на змінному струмі); С – ємність, що утворюється електродами приладу;

Умова статичної рівноваги М= -М_пр

, отримаємо рівняння шкали (рівняння перетворення): (8)

З рівняння (8) випливає, що шкала приладу (вольтметра) нерівномірна. Шляхом вибору відповідної форми електродів, їх розмірів і взаємного розташування одержують таку залежність , яка забезпечує практично рівномірну шкалу від 15 до 100% верхньої межі вимірювань.

Переваги:

1 - на електростатичні вольтметри практично не впливають температура, частота і форма кривої прикладеної напруги;

2 - не впливають зовнішні магнітні поля;

3 - власна споживана потужність на змінному струмі дуже незначна, а на постійному дорівнює нулю.

Недоліки:

1 - власне електричне поле дуже незначне, тому на роботу приладу сильно впливають зовнішні електричні поля (прилади екранують);

2 – обертальний момент механізму досить малий ( найменша межа вимірювання 10 В).

3 - мають низьку чутливість (для підвищення чутливості рухому частину закріплюють на розтяжках або підвісі, застосовують оптичний світловий відлік).

Застосування. Електростатичні вольтметри використовують в широкому частотному діапазоні у малопотужних колах, а також в колах високої напруги до сотень кіловольт.

У поєднані із складною електронною схемою ці прилади можна використати не тільки для вимірювання напруг але і для струмів, в якості амперметрів.

Промисловістю випускається електростатичні вольтметри переносні і щитові класів точності: 0,5; 1; 1,5 на напругу від 10 В до 300 кВ, і частоти до 10 мГц, з вихідною ємністю від 4 до 65 нФ і вхідним опором Ом.

2.3.6. Прилади індукційної системи. Конструктивна будова, принцип дії і застосування

Індукційний вимірювальний механізм застосовується тільки у колах змінного струму. Принцип роботи базується на взаємодії магнітного поля з вихровими струмами у немагнітному металічному диску 1, який закріплений на осі 2 (рис. 4). Магнітний потік електромагніта 3 взаємодіє з вихровими струмами, які збуджуються електромагнітом 4 і навпаки. Один з потоків пропорційний напрузі кола, інший струмові.

Рис. 4

Обертальний момент залежить від напруги, струму і кута зсуву фаз між ними. Постійний магніт 5 створює гальмівний момент.

Потік пропорційний напрузі кола створюється електромагнітом, який вмикається в коло паралельно – паралельним електромагнітом 3. Потік пропорційний струмові створюється електромагнітом, що вмикається послідовно в коло – послідовним електромагнітом 4.

Чим більший струм і напруга, тим більші магнітні потоки електромагнітів і тим більша частота обертання диску, яка пропорційна активній потужності Р і часу t, на протязі якого протікає струм, тобто пропорційна витраті електроенергії.

W = Pt = cn, де с – коефіцієнт, який залежить від конструкції лічильника (стала лічильника), n – частота обертання.

Загальне рівняння шкали індукційного приладу:

(9)

- кут зсуву фаз між магнітними потоками Ф і Ф ;

f- частота;

– опір диску;

k - коефіцієнт, що визначається конструкцією системи;

W – питомий протидіючий момент.

Переваги:

1 - механізми індукційної системи мають сильне магнітне поле і як наслідок великий обертальний момент;

2 - міцну рухому частину;

3 - низьку чутливість до зовнішніх магнітних полів.

Недоліки:

Покази індукційного приладу суттєво залежать від температури (оскільки від температури залежить опір диску і активний опір обмоток), при зміні температури на 10 С покази змінюються на 4%.

Застосування. Індукційні вимірювальні механізми використовують для вимірювання потужності і енергії в колах змінного струму (частотою 50 – 60 Гц).

Призначення системи: лічильники енергії в колах однофазного і трифазного струмів, щитові ватметри (клас точності 2,5).

2.3.7. Випрямляючі прилади (амперметри і вольтметри)

Магнітоелектричні прилади характеризуються високою чут­ливістю, високою точністю й малим споживанням потужності. Проте вони придатні тільки для вимірювань у колах постій­ного струму. Для того щоб використати магнітоелектричні вимірювальні механізми для вимірювань на змінному струмі, треба спочатку перетворити змінний струм у постійний.

Як перетворювачі змінного струму в постійний значного поширення набули напівпровідникові випрямлячі. Випрям­ний прилад являє собою поєднання магнітоелектричного ви­мірювального механізму з випрямлячем на напівпровідни­кових діодах. У випрямлячах застосовуються діоди з герма­нію або кремнію.

Опір напівпровідникового діода залежить від полярності прикладеної напруги. При напрузі однієї полярності опір діода малий, а при напрузі протилежної полярності різко зро­стає. Відповідно в першому випадку опір діода називають прямим, а в другому — зворотним. Якщо до діода прикласти змінну напругу, то практично він пропускатиме струм тільки в одному напрямі.

Звичайно в приладах використовують випрямлячі двох типів — одно- та двопівперіодні. На рис. 1, а подано схему приладу з однопівперіодним випрямлянням, яка використо­вується для вимірювання струму . Через вимірювальний механізм, ввімкнений послідовно з діодом , проходять півхвилі змінного струму однієї полярності (рис. 1, б), півхвилі другої полярності (зворотні півхвилі) проходять через діод . Діод захищає діод від пробою й замикає коло струму при зворотній півхвилі. Опір резистора беруть таким, що дорівнює опору вимірювального механізму. Завдяки цьому опір приладу буде однаковим для будь-якого напряму струму.

Рис. 1. Схема вмикання і часові діаграми струмів вимірювального

механізму з однопівперіодним випрямлячем

В двопівперіодних схемах випрямлений струм прохо­дить через вимірювальний механізм в обидві половини періо­ду. На рис. 2 наведено чотири найбільш поширені схеми двопівперіодного випрямляння.

Рис. 2. Двонапівперіодні схеми вмикання вимірювального механізму

з випрямлячами

а – трансформаторна; б – мостова; в, г – мостові із заміною двох діодів резисторами

В схемі на рис. 2, а діоди ввімкнено у вторинне коло трансформатора так, що струм через вимірювальний механізм протягом будь-якого півперіоду завжди проходить в одному напрямі. Трансформатор дає змогу електрично ізолювати коло вимірювального механізму від кола вимірюваних змінного струму або напруги. Недоліком схеми є залежність коефі­цієнта трансформації трансформатора від частоти.

В симетричній мостовій схемі на рис. 2, б чотири діоди утворюють плечі моста, в діагональ якого ввімкнено вимірю­вальний механізм. Струм увесь час проходить через вимірю­вальний механізм в одному напрямі, а значення струму в мосто­вій схемі порівняно із значенням струму в однопівперіодній схемі збільшується вдвоє.

Іноді в мостовій схемі два діоди замінюють резисторами, опір яких дорівнює прямому опору діодів (рис. 2, в і г). Перевага цих схем полягає в меншій кількості діодів. Оскіль­ки і прямий, і зворотний опір діодів дуже залежить від темпера­тури, при заміні діодів резисторами зменшується температур­на похибка приладів. Крім того, схема на рис. 2, г більш зручна для вимірювання великих струмів, оскільки резистори у цьому випадку відіграють роль шунтів. Недоліком схем на рис. 2, в і г є потреба в більш чутливому вимірювальному механізмі, оскільки в нього відгалужується лише частина (30—40 %) випрямленого струму (рис. 2, в) або частина змінного струму взагалі не випрямляється (рис. 2, г).

Миттєве значення обертального моменту, який діє на рухо­му рамку вимірювального механізму магнітоелектричної си­стеми дорівнює (див. § 5.2):

, де — миттєве значення струму, що проходить через вимірю­вальний механізм.

Через інерцію рухомої частини її відхилення буде пропор­ційне середньому значенню обертального моменту. Якщо струм , то для схеми з однопівперіодним випрямлян­ням середній за період обертальний момент дорівнює:

де — середньовипрямлене значення синусоїдного струму:

Кут повороту рухомої частини

Для схеми з двопівперіодним випрямлянням значення і збільшуються вдвоє.

На шкали приладів наносять діючі значення змінного струму (напруги). Врахувавши, що діюче значення струму пов'язане із середнім випрямленим рівністю , де — коефіцієнт форми кривої, дістанемо кут повороту рухомої частини для двопівперіодної схеми випрямлення:

Випрямні прилади градуюють при синусоїдному струмі (для синусоїди ). Відмінність форми кривої вимірю­ваного струму (напруги) від синусоїди в показах приладів спричинює похибку.

Для розширення меж вимірювання випрямних приладів за струмом і напругою використовують відповідно шунти й додаткові резистори, як і у звичайних магнітоелектричних приладів.

При зміні температури змінюється опір діодів, внаслідок чого виникає температурна похибка. Для її зменшення засто­совують різні схеми температурної компенсації.

Напівпровідникові діоди мають ємність. При підвищених частотах частина змінного струму проходить через цю ємність, що призводить до зменшення показів приладу. Для компенса­ції частотної похибки використовують конденсатори, які вми­кають паралельно додатковим резисторам. При цьому загаль­ний струм, який надходить у випрямну схему, зростає з під­вищенням частоти, що компенсує зменшення випрямленого струму у вимірювальному механізмі.

Промисловість випускає багатограничні випрямні ампер­вольтметри показуючі й самописні, а також випрямні фазо­метри й самописні частотоміри.

Позитивними якостями випрямних приладів є висока чут­ливість (найменші границі вимірювання змінних струмів і напруг відповідно 0,25-0,3 мА і 0,25-0,3 В), мале власне споживання потужності, широкий частотний діапазон (до 10— 20 кГц).

Недоліки приладів — невисока точність (класи точності 1,0—2,5) і залежність показів від форми кривої вимірюваної величини.