Ферродинамические ваттметры, принцип действия кото­ рых аналогичен принципу действия электродинамических ваттметров, имеют особенности, обусловленные наличием магнитопровода. При прочих равных условиях они потреб­ ляют меньшую энергию, а при одинаковом с электродина­ мическими ваттметрами потреблении имеют значительно больший вращающийся момент. Однако наличие ферромаг­ нитного сердечника является причиной погрешностей от влияния вихревых токов, гистерезиса и нелинейности кри­ вой намагничивания. Так, вследствие магнитного гистере­ зиса показания при возрастающем и убывающем токах на постоянном токе различны. Нелинейность кривой намагни­ чивания материала магнитопровода приводит к тому, что одно и то же показание может наблюдаться при разных значениях тока, напряжения и коэффициента мощности. Поэтому класс точности ферродинамических ваттметров невысокий. Они выпускаются в качестве щитовых прибо­ ров классов точности 1,5 и 2,5 для измерения мощности в однофазных и трехфазных цепях.

Трехфазные ферродинамические ваттметры активной и реактивной мощности бывают двухэлементные и трехэле­ ментные. Первые применяются для измерения мощности в трехфазных трехпроводных цепях, вторые — в трехфазных четырехпроводных цепях. Они состоят из двух или трех однофазных элементов, имеющих общую ось с укрепленны­ ми на ней подвижными катушками. Вращающий момент такого прибора равен алгебраической сумме вращающих моментов отдельных элементов.

Глава д е с я т а я

ПРИБОРЫ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

Принцип действия индукционного измерительного механизма осно­ ван на взаимодействии двух и более переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками в подвижной части прибора.

Наиболее распространены индукционные механизмы с подвижным диском. Такой механизм имеет два независимых магнитопровода / и 2

(рис. 10.1,а), магнитные потоки которых G>i и Фг, возбуждаемые то­ ками h и / 2 н сдвинутые по фазе на угол ф, пересекая диск 3, индуци-

Рис. 10.1. Индукционный измерительный механизм

руют в нем ЭДС Е\ и Ег, отстающие от своих потоков иа угол я/2

(рис. 10.1,6). Учитывая, что индуктивное сопротивление диска мало по сравнению с его активным сопротивлением, можно считать, что вихре­ вые токи In и /22, вызванные в диске ЭДС £ 1 и Е2 соответственно, сов­

падают по фазе со своими ЭДС.

Вращающий момент в индукционном механизме возникает в ре­ зультате взаимодействия магнитного потока <Dj с током /22 и потока Фа

mBpi (t) = КхФц12%(0,

где К\ — коэффициент пропорциональности.

Ввиду относительно большого момента инерции подвижной части измерительного механизма ее движение определяется средним значением

Рис. 10.3. Векторная диаграмма од­ нофазного счетчика

моткой цепи напряжения U; 2 —

алюминиевый диск, жестко укреплен­ ный на оси подвижной части; 3 —

противополюс из магнитомягкого ма­ териала; 4 — короткозамкнутые вит­

ки; 5 — П-образный магнитопровод с двумя последовательно соединенными

7 с регулируемым с помощью пере­ мычки 8 сопротивлением; 13 — стальной поводок для создания и регу­

лировки компенсационного момента; 12 — постоянный магнит для соз­ дания тормозного момента; 10 — пластинка с флажком, выполненная из

магнитомягкого материала; — стальной крючок; 9 — счетный меха­ низм.

На рис. 10.3 приведена упрощенная векторная диаграмма, поясня­ ющая работу счетчика. Напряжение U, приложенное к обмотке напря­ жения, находящейся на среднем стержне магнитопровода 1, вызывает в обмотке ток 1ц, отстающий по фазе от напряжения U на угол, близ­

кий к 90° (из-за большого реактивного сопротивления обмотки). Эгот ток создает в среднем стержне магнитопровода 1 магнитный поток Ф, который делится на два потока: рабочий поток Ф и и поток Фь. Рабо­ чий поток Фу пересекает диск 2 и замыкается через противополюс 3. Поток Фь замыкается через боковые стержни магнитопровода 1, ми­

нуя диск, и непосредственного участия в создании вращающего мо­ мента не принимает. Он лишь влияет на сдвиг фаз между потоком Ф у

проходит через противополюс 3, в которых возникают дополнительные

потери на вихревые токи.

Ток 1, сдвинутый по фазе относительно напряжения U на угол <р, создает в магритопроводе 5 магнитный поток Ф/, который дважды пе­ ресекает диск 2 и замыкается через боковые стержни магнитопровода 1.

Поток Фх отстает по фазе от тока / на угол о/. Таким образом, диск пересекает два не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг магнитных потока Фу и Ф/, причем поток Ф/ пересекает диск дважды. Взаимодействие этих потоков с индуцированными ими в диске вихревыми токами создает вращающий момент, который на основе (10.6) можно записать как

( 10. 11)

Мвр = ® ФУ ф' sin

При работе на линейном участке кривой намагничивания магнито­ мягких материалов магнитопроводов имеем

напряжения мало по сравнению с реактивным сопротивлением XUt мож­

но считать, что

где Lu — индуктивность обмотки напряжения.

С учетом этого выражение (10.13) примет вид

гд е K t—Kil{2nLv)b

Подставляя значение потоков Фи и Ф/ в (10.11), получаем

где с=КК\Кз.

Из (10.15) видно, что вращающий момент счетчика пропорционален активной мощности при выполнении равенства

Это равенство выполняется при условии, что tp+<p=90°. Нетрудно видеть (рис. 10.3), что для выполнения этого условия необходимо иметь угол р>90°, так как p ^ ip + tp + ai. Выполнение этих условий осуществ­ ляется путем изменения угла потерь ах с помощью короткозамкнутых витков 4 (грубая регулировка) и обмотки б, замкнутой на резистор 7,

который выполнен в виде петли с регулируемым сопротивлением (плав­ ная регулировка). Изменение сопротивления резистора 7 производится перемещением контакта 8 (см. рис. 10.2). Таким образом, при выпол­

нении (10.16) выражение (10.15) принимает вид

Таким образом, при определенных условиях вращающий момент, действующий на подвижную часть индукционного счетчика, пропорцио­ нален активной мощности цепи, в которую он включен.

Под воздействием вращающего момента Мвр диск вращается. Тор­

мозной момент, обеспечивающий постоянство угловой скорости диска при данной нагрузке, создается постоянным магнитом 12. При пересе­

чении вращающимся диском потока Фм (см. рис. 10.2) в диске наво­ дится ЭДС и возникают токи 1м, пропорциональные потоку Фм и угло­

вой скорости диска со,

От взаимодействия тока /м с потоком Фм возникает момент успо­

где Сз=С1С2Ф^, Если пренебречь трением и другими дополнительными тормозными

моментами, возникающими при пересечении диском потоков Ф у и Ф /,

•т. е. число оборотов диска пропорционально учитываемой счетчиком активной энергии.

Для учета числа оборотов диска в счетчике устанавливается счет­ ный механизм 9 (см. рис. 10.2). Число оборотов диска, приходящееся

Величина, обратная передаточному числу счетчика, т. е. энергия, учитываемая счетчиком за 1 оборот диска, называется номинальной постоянной счетчика сПом. Для счетчика с указанным выше передаточ­

ным числом номинальная постоянная определяется следующим образом: %ом = 3600-1000/1280 = 2812,5 Вт«с/об.

Зная Сно* и число оборотов диска счетчика за определенный ннтер-

вал времени, нетрудно определить учтенную счетчиком за это время анергию

W = сиоЫЫ.

Отметим, что отсутствие трения, пропорциональность между тока­ ми / и 1и и магнитными потоками Ф / и Ф и, зависимость тормозного

момента только от поля постоянного магнита и другие условия на прак­ тике выполняются весьма приближенно.

Действие трения в счетном механизме и опорах подвижной части особенно заметно при малых нагрузках. Момент трения, действующий навстречу вращающему моменту, уменьшает угловую скорость диска, и учтенная счетчиком энергия оказывается меньше реально израсходо­ ванной. Для уменьшения погрешности счетчика от действия момента трения с помощью специальных приспособлений во всех типах счетчи­ ков создают дополнительный вращающий момент. Его называют ком­ пенсационным моментом. Наибольшее распространение получили три способа создания компенсационного момента: с помощью винта из маг­ нитомягкого материала, ввернутого в противополюс под диском счет­ чика; с помощью короткозамкнутого витка, помещаемого на пути пото­ ка Фи над диском счетчика; с помощью поводка 13 (см. рис. 10.2),

прикрепленного к противополюсу под диском счетчика. Компенсационный момент во всех перечисленных случаях возника­

ет в результате взаимодействия двух или нескольких потоков, созда­ ваемых обмоткой напряжения и сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе, с токами, наводимыми ими в диске счетчика.

ненную из магнитомягкого материала, поводок 13 и противополюс 3.

Если поводок расположен по радиусу диска, то сила, возникающая в результате взаимодействия потоков Ф у и Ф з с токами, наведенными

в диске, действует также в направлении радиуса и дополнительный вращающий (компенсационный) момент отсутствует. При смещении по­ водка возникающая сила создает дополнительный вращающий момент, компенсирующий момент трения. Компенсационный момент при неиз­ менном значении напряжения и определенном смещении поводка является величиной постоянной, а момент трения меняется в зависимости от угло­ вой скорости подвижной части. Следовательно, равенство компенсацион­ ного момента моменту трения может быть выполнено при одной вполне определенной нагрузке. Обычно равенство этих моментов осуществляют при регулировке счетчика при токе 1, равном примерно 10 % номиналь­

ного тока /пом.

Если компенсационный момент превышает момент трения, диск счетчика начинает вращаться даже при токе /= 0 , т. е. когда потреби­ тель энергию не расходует.

В соответствии с ГОСТ 6570-75 вращение диска счетчика под дей­ ствием напряжения, поданного на зажимы параллельной цепи, и при отсутствии тока в последовательной цепи называется самоходом. Для устранения самохода на оси диска прикрепляют крючок 11 (см. рис. 10.2) из ферромагнитного материала. Флажок 10 намагничивается по­ током Фв и, притягивая крючок 11, устраняет самоход.

Сила взаимодействия между крючком и флажком должна быть от­ регулирована так, чтобы счетчик имел необходимый порог чувстви­ тельности. Порог чувствительности счетчика — это наименьшее норми­ руемое значение тока I в процентах / ном, при котором начинается не­

прерывное вращение диска счетчика при номинальных значениях напря­ жения и частоты при cos <р= 1.

На работу счетчика влияют многочисленные факторы, обусловлен­ ные конструкцией счетчика, качеством изготовления деталей, материа­ лом деталей и т. п. По точности учета электроэнергии счетчики активной энергии могут быть следующих классов точности: 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5. Классы точности счетчиков определяются не по приведенной, а по от­ носительной погрешности, определяемой при различных, оговоренных ГОСТ 6570-75 нагрузках. Допускаемая относительная погрешность счет­ чиков в процентах определяется по формуле

ниям поверяемого счетчика за данный интервал времени; № — действи­ тельное значение электрической энергии, определенное за этот же ин­ тервал времени по показаниям образцовых приборов.

В качестве образцовых приборов используются либо образцовый счетчик, имеющий более высокий класс, чем поверяемый, либо ватт­ метр и секундомер.

Характерное изменение основной относительной погрешности счет­ чика в зависимости от нагрузки представлено на рис. 10.4. Эту кривую называют нагрузочной кривой счетчика. На нагрузочной кривой можно выделить четыре характерные области изменения относительной погреш­ ности.

Вобласти I изменение 6 обусловлено превышением компенсацион­

ного момента над моментом трения. В этой области диск счетчика вращается быстрее необходимого.

Вобласти // из-за увеличения момента трения в связи с увеличени­ ем угловой скорости диска компенсационный момент меньше момента трения и диск счетчика вращается медленнее необходимого. Равенство компенсационного момента моменту трения (6=0) обеспечивается при токе нагрузки счетчика ///ном» 10 %.

Вобласти III происходит непрерывное увеличение угловой скоро-