Устройство_и_принцип_действия_индукционных_приборов

Устройство_и_принцип_действия_индукционных_приборов

Приборы индукционной системы

ВНИМАНИЕ! САЙТ ЛЕКЦИИ.ОРГ проводит недельный опрос. ПРИМИТЕ УЧАСТИЕ. ВСЕГО 1 МИНУТА.

Конструкция и принцип действия.Принцип действия индукци­онных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представите­лем этой системы является классический индукционный счетчик – измеритель активной энергии.

Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного од­нофазного счетчика активной энергии. На рис. 25 показана упро­щенная конструкция такого прибора. Основными элементами при­бора являются два магнитопровода со своими обмотками (напря­жения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит обмотки тока и напряжения. Включает­ся счетчик в цепь так же, как и ваттметр.

Схема (рис. 26) и векторная диаграмма (рис.27) поясняют принцип действия этого прибора.

Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов на­пряжения и тока синусоидальной формы с действующими значе­ниями, равными, соответственно, U и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток IU,име­ющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток IU рождает магнитный поток ФU всреднем сердечнике магни­топровода обмотки напряжения 1.

Рис. .25. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика

Этот поток ФU делится на два потока: нерабочий поток ФU1,который замыкается внутри магни­топровода 7; и основной поток ФU2, пересекающий диск 6, закреп­ленный на оси 7 и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5. Входной ток I, текущий в обмот­ке тока 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток ФI , который дваж­ды пересекает диск 6. Поток ФI от­стает от тока I на небольшой угол потерь αI, (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).

Таким образом, диск пересека­ют два магнитных потока ФU2и ФI, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг ψ. При этом в диске возникает вращающий момент М:

где с – некая константа; f – частота напряжения.

При работе на линейном участке кривой намагничивания мате­риалов магнитопроводов можно считать, что

где k1и k2– коэффициенты пропорциональности; ZU – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.

Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопро­тивления обмотки напряжения ZU гораздо больше активной, мож­но записать

где LU – индуктивность обмотки напряжения.

Рис. 26. Схема, поясняющая принцип действия счетчика:

1 – магнитопровод обмотки напряжения; 2 – обмотка напряжения; 3 – магнитопровод обмотки тока; 4 – обмотка тока; 5 – противополюс; 6 – диск; 7 – ось; 8 – червячная передача; 9 – счетный механизм

Рис. 27. Векторная диаграмма

Следовательно, вращающий момент М в данной электромаг­нитной механической системе можно определить следующим об­разом:

где k – общий коэффициент пропорциональности.

Для того чтобы вращающий момент был пропорционален теку­щей активной мощности, необходимо выполнение условия

А это в свою очередь будет выполняться, если ψ + φ = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулировкой) угла потерь αI. Изменение этого угла реализуется двухступенчато: гру­бо – изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, а плавно – изменением сопротивления вспомога­тельной цепи (эти элементы конструкции на рис. 25 и 26 не показаны).

Таким образом обеспечивается пропорциональность вращаю­щего момента М текущему значению активной мощности. Для по­лучения результата определения потребленной активной энергии достаточно проинтегрировать значения текущей мощности. Это ин­тегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8.

Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной те­кущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы уст­ранения «самохода» (на рис. 25 и 26 не приведены).

Включение счетчика.На рис. 28 приведена схема включения однофазного счетчика активной энергии.

Рис. 28. Схема включения однофазного счетчика активной энергии

При необходимости работы в цепях с напряжениями и/или токами, большими, чем номинальные для конкретного счетчика, используются измерительные трансформаторы напряжения и/или тока. Схема подключения такая же, как и в подобном случае с ваттметроми.

Читайте также:  Как_сделать_домик_своими_руками_для_поделки

Для измерения реактивной энергии также используются ин­дукционные счетчики. Их принцип действия аналогичен рассмот­ренному. Некоторые различия в конструкции, организации подключения и, как следствие в векторных диаграммах, позволяют получить скорость вращения диска, пропорциональную значению текущей реактивной мощности.

Обозначение индукционной системы на шкалах приборов:

Трехфазные счетчики.Для учета суммарной активной и реактивной энергии в трехфазных цепях исполь­зуются двухэлементные и трехэлемен­тные счетчики. В таких счетчиках при­меняются те же конструктивные эле­менты (два или три механизма), что и в однофазных приборах. Диски (два или три) закреплены на общей оси. Вращающие моменты дисков склады­ваются, и скорость вращения оси за­висит от суммарной текущей потреб­ляемой мощности. На рис. 29 упро­щенно показано устройство двухэле­ментного трехфазного счетчика.

Рис. 29. Двухэлементный трех­фазный счетчик

Скорость вращения в данном случае определяется суммой моментов М1и М2. Включаются трехфазные счетчики так же, как и трехфаз­ные ваттметры.

Сегодня в задачах измерения активной энергии все шире при­меняются цифровые (микропроцессорные) счетчики энергии. В за­дачах технических экспресс-измерений для оценки потребленной энергии в кратковременных экспериментах используют автоном­ные малогабаритные цифровые измерительные регистраторы (анализаторы), которые имеют режим вычисления активной и реак­тивной энергии или позволяют найти эти величины с помощью компьютера и специализированного программного обеспечения.

19) Индукционные измерительные приборы. Принцип действия, достоинства, недостатки, область применения.

Эта система характеризуется применением нескольких неподвижных катушек, питаемых переменным током и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое индуктирует токи в подвижной части прибора и вызывает ее движение.

Индукционные приборы применяются только при переменном токе в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии (реже амперметров и вольтметров). В настоящее время индукционные ваттметры заводами электроизмерительных приборов не выпускаются. Они заменены, ферро-динамическими ваттметрами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ; показания последних меньше зависят от температуры и частоты. На фиг. 333 показан электромагнит 1 и алюминиевый диск 2, могущий поворачиваться на оси. Проходящий по обмотке электромагнита переменный ток создает переменный магнитный поток, индуктирующий в алюминиевом диске э. д. с.

Индукционные системы измерения.

Применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах.

Ферродинамические приборы выпускаются классом точности не выше 0,2 и 0,5.

Достоинства: надёжны в исполнении, многолетний срок эксплуатации счётчика, независимость от перепадов ЭЭ, дешевле электронных.

Недостатки: класс точности достаточно низок – 2 и 2,5; практически отсутствует защищённость от хищения ЭЭ.

20) Измерительные трансформаторы тока.

Трансформатор тока— трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока, а вторичная обмотка замыкается на измерительные или защитные приборы, имеющие малые внутренние сопротивления.

Измерительный трансформатор тока— трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защитыэлектроэнергетических систем, в связи, с чем на них накладываются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

Схемы подключения измерительных трансформаторов тока

В трёхфазных сетях с изолированной нейтралью (сети с напряжением 6-10-35 кВ) трансформаторы тока нередко устанавливаются только на двух фазах (обычно фазы A и C). Это связано с отсутствием нулевого провода в сетях 6 —35 кВ и информация о токе в фазе с отсутствующим трансформатором тока может быть легко получена измерением тока в двух фазах. В сетях с глухозаземлённой нейтралью (сети до 1000В) или эффективно заземлённой нейтралью (сети напряжением 110 кВ и выше) трансформаторы тока в обязательном порядке устанавливаются во всех трёх фазах.

В случае установки в три фазы вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются по схеме «Звезда» (рис.1), в случае двух фаз — «Неполная звезда» (рис.2). Для дифференциальных защит силовых трансформаторов с электромеханическими реле трансформаторы подключают по схеме «Треугольник» (для защиты обмотки трансформатора, соединённой в звезду при соединении защищаемого трансформатора «треугольник — звезда», что необходимо для компенсации сдвига фаз вторичных токов с целью уменьшения тока небаланса). Для экономии измерительных органов в цепях защиты иногда применяется схема «На разность фаз токов» (не должна применяться для защиты от коротких замыканий за силовыми трансформаторами с соединением треугольник — звезда).

Читайте также:  Почему_фен_перегревается_и_отключается

Важными параметрами трансформаторов тока являются коэффициент трансформации и класс точности.

Устройство и принцип действия индукционных приборов

Принцип работы приборов индукционной системы основан на действии вращающегося, бегущего или переменного магнитного поля переменного тока (создаваемого одним или несколькими неподвижными электромагнитами) на подвижную часть, представляющую собой чаще всего металлический диск. Укрепленный на одной оси с указательной стрелкой алюминиевый диск помещается между электромагнитами таким образом, что их магнитные потоки, пронизывая диск, индуцируют в нем ЭДС и токи. Взаимодействие между индуцированными токами и переменными потоками электромагнитов вызывает вращение диска.

Индукционные приборы разделяются на однопоточные, вращающий момент которых создается взаимодействием одного потока и тока, и многопоточные, вращающий момент которых создается взаимодействием нескольких (не менее двух) потоков и токов.

Рис. 2.3.1. Схема измерительного механизма индукционных приборов: а – однопоточного; б – двухпоточного

В однопоточных приборах (рис. 2.3.1, а) создаваемый катушкой 1 переменный магнитный поток пронизывает алюминиевый диск 3, индуцируя в нем ЭДС и токи. Укрепленный на асимметрично расположенной оси 2 диск перекрывает (экранирует) часть силовых линий магнитного поля катушки. Под влиянием сил взаимодействия потока и индуцированных токов диск поворачивается в сторону уменьшения его площади, находящейся в зоне действия магнитного поля. На рис. 2.3,1, б приведена принципиальная схема устройства простейшего двухпоточного прибора с одним электромагнитом и медным экраном. Переменный магнитный поток катушки 1 частично перекрывается экраном 3 и разбивается на две части: 1) пронизывающую часть диска 2, расположенную против экрана, и 2) пронизывающую часть диска, не закрытую экраном. Наличие экрана создает два пронизывающих диск потока, смещенных в пространстве. Кроме того, вследствие дополнительных потерь на вихревые токи в экране первый поток отстает по фазе от второго потока. Оба потока, сдвинутые по фазе и в пространстве, создают бегущее поле, поворачивающее диск в сторону направления вращения поля (от части полюса, не закрытой экраном, к закрытой). Иногда вместо медных экранов применяют короткозамкнутые медные витки (кольца), которые надеваются на катушки с таким расчетом, чтобы они перекрывали часть полюсных наконечников. Одно и двухпоточные приборы с экраном обладают сравнительно небольшим вращающим моментом и в настоящее время не применяются.

На рис. 2.3.2 приведены принципиальная схема устройства и векторная диаграмма двухпоточного индукционного прибора с бегущим полем. Укрепленный симметрично на оси 2 алюминиевый диск 3 пронизывается двумя смещенными в пространстве потоками Ф1 и Ф2.

Если переменные токи I1 и I2, протекающие по обмоткам двух катушек 4 и 5, сдвинуты по фазе на угол y, то из предположения, что сердечники катушек не насыщены, а потери на гистерезис и вихревые токи в них отсутствуют, следует, что и потоки Ф1 и Ф2 будут сдвинуты по фазе на тот же угол y. Потоки Ф1 и Ф2, пронизывая диск, будут индуцировать в нем ЭДС Е1 и Е2, вызывающие в диске токи I’1 и I’2. Электродвижущие силы Е1 и Е2 и совпадающие с ними по фазе токи I’1 и I’2 будут отставать от своих потоков на угол p/2.

Результирующий момент слагается из двух моментов: момента М1, возникающего от взаимодействия потока Ф1 с током I’2, и момента М2, создаваемого взаимодействием потока Ф2 с током I’1. Значения моментов, возникающих от взаимодействия между собственными потоками и токами (Ф1 с током I’1 и Ф2 с током I’2), незначительны, а если принять, что диск имеет только активное сопротивление, то они равны нулю (так как угол сдвига между потоком и током, им индуцированным, равен p/2). Подвижная часть приборов, обладающая значительной инерцией, не будет реагировать на изменения мгновенных значений вращающего момента в течение каждого периода переменного тока, и отклонение ее вместе со стрелкой 1, а, следовательно, и показания прибора будут зависеть от среднего значения вращающего момента. Как известно, среднее за период значение вращающего момента МВР от взаимодействия переменного потока Ф с индуцированным им в диске током I пропорционально значениям взаимодействующих потока Ф и тока I, а также косинусу угла g сдвига по фазе между ними, т.е.

Читайте также:  На_что_клеить_арочный_уголок

.

Моменты М1 и М2 могут быть определены по следующим формулам:

; .

На основании данных векторной диаграммы, приведенной на рис. 2.3.2, б, эти равенства могут быть представлены в следующем виде:

;

.

Рис. 2.3.2. Двухпоточный прибор индукционной системы: а – принципиальная схема устройства; б – векторная диаграмма

Противоположные знаки моментов М1 и М2 указывают на то, что один контур тока (I’1) втягивается во взаимодействующее с ним поле (Ф2), а другой (I’2) выталкивается из взаимодействующего с ним поля (Ф1). Оба момента совпадают по направлению и поворачивают диск в одну и туже сторону, что подтверждается проверкой по правилу левой руки с учетом сдвига фаз между потоками и токами.

Поэтому результирующий момент, действующий на диск, равен . Результирующий момент направлен в сторону от опережающего по фазе потока (в данном случае Ф1) к отстающему. При неизменном сопротивлении диска и синусоидальном характере изменения потоков с частотой f токи равны: ; . Тогда выражение для результирующего момента примет следующий вид:

.

Вращающий момент индукционных приборов пропорционален произведению магнитных потоков, пронизывающих контур, синусу угла сдвига между ними и зависит от частоты тока. Из последней формулы следует, что для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух переменных потоков (или двух составляющих одного потока), сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве. В случае совпадения потоков по фазе y = 0 и siny = 0 вращающий момент равен нулю. Максимальный вращающий момент будет при наибольших значениях магнитных потоков и сдвига фаз между ними в ¼ периода (y = 90° и siny = 1). При ненасыщенных сердечниках потоки Ф1 и Ф2 прямо пропорциональны токам I1 и I2, протекающим по обмоткам катушек 4 и 5 (рис. 2.3.2) и, следовательно, значение результирующего момента равно

Противодействующий вращению подвижной части момент МПР может быть создан пружиной (при использовании в качестве ваттметра), и в этом случае он будет пропорционален углу закручивания a: МПР = DКР a. Для момента равновесия МВР = МПР или

k f I1 I2 sin y = DКР a, откуда угол поворота подвижной части прибора равен

,

т.е. пропорционален произведению токов, проходящих через катушки (либо пронизывающих диск потоков), синусу угла сдвига между ними и зависит от частоты тока.

К числу достоинств индукционных приборов следует отнести большой вращающий момент (до 5 г·см), малое влияние внешних магнитных полей, стойкость к перегрузкам (подвижная часть приборов не требует подвода тока и выполняется весьма прочной), надежность в работе. Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение активного сопротивления диска, что в некоторой степени влияет на показания приборов.

В отличие от приборов переменного тока других систем индукционные приборы могут применяться в сетях с одной определенной частотой: на приборах обычно указывается номинальная частота измеряемой величины. Даже небольшое изменение частоты, как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к большим погрешностям измерений. В связи с этим амперметры и вольтметры индукционной системы не получили широкого распространения.

Индукционные измерительные механизмы используются преимущественно в счетчиках электрической энергии для цепей переменного тока промышленной частоты.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector