В индукционных измерительных приборах особым расположением катушек относительно проводящего диска или цилиндра получают вращающееся электромагнитное поле, которое индуцирует в них вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. Противодействующий момент создается бестоковыми пружинами.
Зависимость показаний ИМ от частоты тока и температуры окружающей среды ограничивает область применения приборов данной системы. Их используют в самопишущих приборах, в качестве указателей вращающегося поля, в частотомерах и счетчиках электрической энергии.
Упрощенная схема однофазного индукционного счетчика электрической энергии приведена на рисунке.
Рис. 2.8 Устройство индукционного счетчика: 1 – катушка напряжения; 2 – счетный механизм; 3 – алюминиевый диск; 4 постоянный магнит; 5 – токовая катушка.
Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного тока:
На вращающийся диск действует тормозной момент, создаваемый постоянным магнитом, пропорциональный скорости вращения диска:
При неизменной активной мощности в цепи моменты, действующие на диск равны. Проинтегрировав по времени уравнение для данного состояния системы получим:
где: С – номинальная постоянная счетчика (количество энергии, учитываемое счетчиком за один оборот диска).
Количество электричества, реально прошедшее за один оборот диска, зависит от тока и характера нагрузки, внешних условий, характеризуется действительной постоянной, которая отличается от номинальной.
Важным параметром счетчика является порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выраженная в процентах от номинальной. Порог чувствительности не должен превышать 0,4% – 0,5%. Счетчик также не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи.
Применение: индукционные счетчики используют для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.
С электрическим преобразованием
Измерительные средства с электрическим преобразованием – это средства измерения, в которых преобразование измерительной информации осуществляется через преобразование рода или параметров электрического тока.
1. ПП – первичный преобразователь – воспринимает изменение размера и вырабатывает сигнал, содержащий информацию об измеряемой физической величине в форме удобной для дальнейшего преобразования, но непосредственно не наблюдаемый. Его часто выделяют в отдельный конструктивный узел, который называется датчиком.
2. ЭБ – электронный блок или вторичный преобразователь. Может включать в себя дополнительные преобразователи, усилители и фильтры.
3. ОУ – отсчетное устройство или АЦП – аналогово-цифровой преобразователь для ввода сигнала в ЭВМ. Предназначается для регистрации измеряемой величины, либо для представления ее в виде, удобном для наблюдателя.
Наибольшее распространение получили приборы с индуктивным способом преобразования (приборы с индуктивным датчиком). Реже применяют приборы с емкостным датчиком. В контрольных автоматах находят применение фотоэлектрические и электроконтактные датчики.
Измерительные приборы с индуктивным датчиком – это измерительные средства с электрическим преобразованием, в которых линейные или угловые перемещения вызывают изменения индуктивности электрической цепи.
Индуктивность – это физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создает в окружающем пространстве магнитное поле, причем магнитный поток Ф, пронизывающий контур, прямо пропорционален силе тока I, т. е. Ф= LI.
Электрическая схема этого вида приборов состоит из датчика, в котором механические перемещения вызывают изменение индуктивности, и элементов цепи, представляющих собою электрическую цепь измерения индуктивности.
Индуктивный датчик – это устройство для преобразования механических перемещений в электрический сигнал, представляющее собою одну или несколько катушек индуктивности с магнитопроводом и подвижным элементом (якорем), который при измерении линейного или углового размера перемещается и изменяет индуктивность катушки.
Схема индуктивного датчикасостоит из катушек индуктивности, т.е. проводника, свернутого в спираль, магнитопровода, состоящего из сердечника (постоянной части) и якоря, который при измерении размера смещается относительно катушки и этим самым изменяет магнитную проницаемость (сопротивление) сердечника, а, следовательно, изменяет индуктивность катушки.
Изменение индуктивности происходит либо в результате изменения зазора между подвижной частью магнитопровода-якоря и сердечником (а, в), либо в результате изменения площади (б, г). Индуктивные датчики бывают недифференциальными (а, б) и дифференциальными (в, г).
Понятие дифференциальные датчики и дифференциальные измерения относится не только к датчикам, это понятие широко используется при измерении линейных и угловых размеров. Этот термин связан с термином «дифференциальный механизм», т.е. механизм, который позволяет получить результирующее движение как сумму или разность составляющих движений.
При дифференциальных схемах измерения многие внешние факторы влияют одновременно на 2 измерительные цепи и, следовательно, не влияют на соотношение их параметров, таким образом, удается снизить погрешность от влияния внешней среды на измерения.
Датчики, работающие по принципу изменения площади применяют для измерения перемещения от 0,5 до 15 мм.
В зависимости от области применения различают датчики осевого и бокового действия.
В датчиках осевого действия обычно стремятся обеспечить размер присоединительного цилиндра 8 или 28 мм.
Датчики с присоединительным размером 28 мм используют при необходимости иметь катушки с большой индуктивностью, т.е. обеспечить или малую цену деления (0,02 мкм), или большой диапазон показаний (до 4 мм). Во всех остальных случаях используются датчики с присоединительным размером цилиндра 8 мм. Это дает возможность проводить измерения до 1 мм.
Датчики с большой индуктивностью дают достаточно мощный выходной сигнал, который можно использовать без дополнительного усиления.
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.
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.
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:
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
МВР = k f I1 I2 sin y.
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.
§ 99. Индукционные приборы
Устройство. Индукционный прибор состоит из двух неподвижных электромагнитов 2 и 3 (рис. 329) и подвижного алюминиевого диска 4, укрепленного на одной оси со стрелкой.
При прохождении переменных токов I1 и I2 по катушкам электромагнитов создаются два магнитных потока Ф1 и Ф2, сдвинутых один относительно другого по фазе, которые пронизывают диск. Эти потоки при своем изменении индуцируют в диске вихревые токи Iв1 и Iв2. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитными полями обоих электромагнитов (тока Iв1 с потоком Ф2 и тока Iв2 с потоком Ф1) возникает вращающий момент М, под влияниеВм которого происходит поворот подвижной части прибора. Противодействующий момент в вольтметрах, амперметрах и ваттметрах создается спиральной пружиной 1 или растяжками.
Среднее за период значение вращающего момента М пропорционально произведению действующих значений магнитных потоков Ф1 и Ф2 и синусу угла сдвига фаз ? между этими потоками:
M = c1?1?2 sin? (102)
где c1 — постоянная для прибора величина.
Рис. 329. Устройство индукционного измерительного механизма
Чтобы получить наибольшее значение вращающего момента, угол сдвига фаз между потоками устанавливают 90° путем включения в цепи катушек дополнительных активных и реактивных сопротивлений. При этом условии средний вращающий момент в вольтметрах и амперметрах будет пропорционален произведению действующих значений токов I1 и I2, протекающих по катушкам электромагнитов. Этой величиной будет определяться также и угол поворота стрелки:
? = kI1I2 (103)
В ваттметрах ? = kUI cos ? = kP, так как ток I1 пропорционален току I в цепи, I2 — напряжению U, а угол ? равен углу 90° — ?.
Применение. Индукционные приборы, так же как и электродинамические, могут быть использованы в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра. Катушки электромагнитов включаются в этих случаях так же, как и катушки электродинамического прибора (см. рис. 327).
Достоинством индукционных приборов являются высокая стойкость к перегрузкам, большой вращающий момент и малая чувствительность к внешним магнитным полям. К недостаткам относятся сравнительно невысокая точность и зависимость показаний от частоты переменного тока и температурных влияний.
Индукционные приборы используют, главным образом, в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии и в промышленных установках и на электровозах переменного тока.
Индукционные измерительные приборы
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). Ознакомимся с теорией индукционных приборов. Следует отметить, что в настоящее время индукционные ваттметры заводами электроизмерительных приборов не выпускаются. Они заменены, ферро-динамичеокими 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.
Из 86 известно, что индуктированная э. д. с. отстает по фазе на 90° от магнитного потока Ф1, создающего эту э.д.с. Ток i1, возникший в алюминиевом диске, совпадает с э. д. с. по фазе и также отстает от магнитного потока Ф1 на 90°. Ток i1, взаимодействуя с магнитным потоком Ф1, может создать силу, под действием которой диск будет поворачиваться. Но в данном случае этого не произойдет (см. фиг. 334, а).
Сила взаимодействия F, пропорциональная току i1 и магнитному потоку Ф1, меняя четыре раза в течение периода свое направление, не даст возможности диску поворачиваться. Если над диском расположить рядом второй электромагнит, то его магнитный поток Ф2 создаст в диске индуктированный ток i2. Если добиться того, чтобы потоки Ф1 и Ф2 были сдвинуты по фазе, то и токи i1 и i2 окажутся сдвинутыми по фазе и угол между Ф1 и i2 или Ф2 и i1 уже не будет 90°. Из фиг. 334, б видно, что в этом случае сила взаимодействия будет преобладать в каком-то одном направлении, в результате чего диск будет вращаться. Если потоки Ф1 и Ф2 будут сдвинуты по фазе на 90°, то сила, действующая на диск, будет наибольшей.
Индукционные приборы делятся на две группы: приборы с бегущим и приборы с вращающимся магнитным полем.
Рассмотрим устройство и работу индукционного прибора с бегущим полем (фиг. 335).
На магнитопроводе 1 располагается катушка 2, состоящая из большого числа витков тонкой проволоки. Магнитный поток, создаваемый этой катушкой, большей своей частью проходит через магнитный шунт 3, а остальная часть пронизывает алюминиевый диск 4. Под диском помещается U-образ-ный магнитопровод 5, на котором располагают обмотку 6, разделенную на две части и намотанную из нескольких витков толстой проволоки. Магнитный поток этой обмотки дважды пронизывает диск. Два магнитных потока, сдвинутых по фазе друг относительно друга, индуктируют в алюминиевом диске вихревые токи, которые, взаимодействуя с потоками, создают вращающий момент, под влиянием которого диск проходит в движение.
Успокоение диска производится подковообразным магнитом 7.
5. Какова должна быть периодичность осмотров конденсаторной установки (без отключения) на объектах без постоянно дежурного персонала.
2.2.39. Осмотр РУ без отключения должен проводиться:
на объектах с постоянным дежурством персонала — не реже 1 раза в 1 сутки; в темное время суток для выявления разрядов, коронирования — не реже 1 раза в месяц;
на объектах без постоянного дежурства персонала — не реже 1 раза в месяц, а в трансформаторных и распределительных пунктах — не реже 1 раза в 6 месяцев.
При неблагоприятной погоде (сильный туман, мокрый снег, гололед и т.п.) или сильном загрязнении на ОРУ должны быть организованы дополнительные осмотры.
Обо всех замеченных неисправностях должны быть произведены записи в журнал дефектов и неполадок на оборудовании и, кроме того, информация о них должна быть сообщена ответственному за электрохозяйство.
Замеченные неисправности должны устраняться в кратчайший срок.
1. Работа без снятия напряжения на токоведущих частях или вблизи их.
Относится работа, выполняемая с прикосновением к токоведущим частям, находящимся под напряжением (рабочим или наведенным), или на расстоянии от этих токоведущих частей менее допустимых.
Вопрос 40.Какие работы относятся к работам со снятием напряжения?
Относятся работы, когда с токоведущих частей электроустановки, на которой будут проводиться работы, отключением коммутационных аппаратов, отсоединением шин, кабелей, проводов снято напряжение и приняты меры, препятствующие подаче напряжения на токоведущие части к месту работы.
Индукционная система.
Рис. 2.3.1. Схема измерительного механизма индукционных приборов: а – однопоточного; б – двухпоточного
) 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.
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.
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:
= 0 вращающий момент равен нулю. Максимальный вращающий момент будет при наибольших значениях магнитных потоков и сдвига фаз между ними в ¼ периода (y = 90° иsiny = 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
I1 I2sin y.
I1 I2sin y = DКР a, откуда угол поворота подвижной части прибора равен
