§ 93. 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 принципом действия индукционных приборов.

На рис. 216 показаны 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.

Рис. 216. Наведение в диске вихревых токов переменным магнитным потоком

Из § 65 известно, что индуктированная э.д.с. отстает по фазе на 90° от магнитного потока Φ₁, создающего эту э.д.с. Ток i₁, возникший в алюминиевом диске, совпадает с э.д.с. по фазе и также отстает от магнитного потока Φ₁ на 90°. Ток i₁, взаимодействуя с магнитным потоком Φ₁, может создать силу, под действием которой диск будет поворачиваться. Но в данном случае этого не произойдет (рис. 217, а).

Рис. 217. Кривые магнитных потоков и вихревых токов, наводимых в диске

Сила взаимодействия F, пропорциональная току i₁ и магнитному потоку Φ₁, меняя четыре раза в течение периода свое направление, не даст возможности диску поворачиваться. Если над диском расположить рядом второй электромагнит, то его магнитный поток Φ₂ создаст в диске индуктированный ток i₂. Если добиться того, чтобы потоки Φ₁ и Φ₂ были взаимно сдвинуты по фазе, то и токи i₁ и i₂ окажутся сдвинутыми по фазе и угол между Φ₁ и i₂ или Φ₂ и i₁ уже не будет 90°. Из рис. 217, б видно, что в этом случае сила взаимодействия будет преобладать в каком-то одном направлении, в результате чего диск будет вращаться. Если потоки Φ₁ и Φ₂ будут сдвинуты по фазе на 90°, то сила, действующая на диск, будет наибольшей.

Зависимость между величиной вращающего момента М действующего на диск, величиной потоков Φ₁ и Φ₂ и углом сдвига между ними Ψ можно написать

где С - постоянная величина для данного прибора, зависящая от конструкции электромагнитов и диска, числа витков катушек, материала обмоток и т. п.

Индукционные приборы делятся на две группы: приборы с бегущим и приборы с вращающимся магнитные полем.

Рассмотрим сначала устройство и работу индукционного прибора с бегущим полем (рис. 218).

Рис. 218. Принципиальная схема индукционного прибора с бегущим полем

На магнитопроводе 1 располагается катушка 2, состоящая из большего числа витков тонкой проволоки и включенная параллельно в сеть. Параллельная катушка 2 создает магнитный поток Φ_υ, пропорциональный напряжению сети U.

На U-образном сердечнике 5 размещена катушка 6, состоящая из небольшого числа витков проволоки большого сечения и включенная последовательно в сеть. Магнитный поток Φ_I последовательной катушки 6 пропорционален величине нагрузочного тока I. Оба переменных магнитных потока Φ_υ и Φ_I индуктируют в диске токи, которые, взаимодействуя с потоками, создают момент вращения

под влиянием которого диск поворачивается, а вместе с ним поворачиваются ось и стрелка прибора.

Так как Φ_U ≡ U, Φ_I ≡ I, то можно записать

При помощи магнитного шунта 3 можно изменять величину магнитного потока Φ_υ. Успокоение подвижной системы производится при помощи подковообразного постоянного магнита 7.

На рис. 219 показано устройство индукционного прибора с вращающимся магнитным полем. На магнитопровод 1, собранный из отдельных листов электротехнической стали, наматываются две обмотки, причем одна обмотка 2 располагается на двух противоположных полюсных выступах магнитопровода, а другая 3 - на двух других, также противоположных, выступах. Между полюсами на оси находится алюминиевый цилиндр 4. На оси крепятся также стрелка 5 и спиральная пружина 6. Внутри алюминиевого цилиндра помещен цилиндрический стальной сердечник 7, назначением которого является уменьшение магнитного сопротивления. При прохождении переменного тока обмотки 2 и 3 создают два магнитных потока.

Рис. 219. Индукционный прибор с вращающимся магнитным полем

Выше было сказано, что для получения наибольшего момента вращения необходимо создать между магнитными потоками сдвиг на фазе, равный или близкий к 90°. Это достигается тем, что одну пару катушек наматывают из небольшого числа витков толстой проволоки. Такая обмотка представляет активное сопротивление, и ток в ней совпадает по фазе с напряжением. Другая пара катушек наматывается из большого числа витков тонкой проволоки, что вызывает между током и напряжением сдвиг, близкий к 90°, вследствие большого индуктивного сопротивления этой пары катушек. Сдвиг по фазе между потоками можно получить также путем подбора и включения дополнительных активных и индуктивных сопротивлений. Перемещающееся по окружности воздушного зазора магнитное поле будет тем самым вращаться с определенной скоростью относительно оси подвижной системы прибора. Это поле, пересекая алюминиевый цилиндр 4 будет индуктировать в нем вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, будут поворачивать цилиндр в сторону вращения поля. Из рассмотрения принципа действия индукционных приборов с вращающимся магнитным полем видно, что они работают на том же принципе, как и двухфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели.

Успокоение прибора осуществляется за счет вихревых токов, индуктируемых в верхних частях алюминиевого цилиндра при движении его в поле двух постоянных магнитов (один из них на чертеже не показан). Внешние магнитные поля не оказывают влияния на работу индукционных приборов ввиду наличия в них сильного собственного магнитного поля. Достоинствами индукционных приборов являются также прочность конструкции, стойкость к перегрузкам, надежность в работе. Недостатками индукционных приборов являются: пригодность их только для переменного тока, неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры и частоты, малая точность (1,0-1,5%). Потребление мощности в индукционных приборах составляет 2-4 вт.