Магнитоэлектрическая система.
Ой семестр
Лекция 1
1.1 Измерительные генераторы
Измерительные генераторы (ИГ) применяются при настройке и проверке приборов, определении характеристик схем и испытаниях сложных систем.
По назначению ИГ делятся на генераторы:
- - низких частот (инфразвуковые и звуковые частоты);
- - сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких частот);
- - импульсов;
- - шумовых сигналов;
- - сигналов специальной формы;
- - качающейся частоты.
ИГ характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются:
- - диапазон частот выходного сигнала;
- - параметры, характеризующие форму выходного сигнала (коэффициент нелинейных искажений, длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса, величина спада плоской вершины импульса);
- - погрешность установки частоты (имеет вид (af+b), где f - частота выходного сигнала).
Структурная схема измерительного генератора представлена на рисунке:
Условные обозначения:
1. задающий генератор;
2. усилитель-формирователь;
3. выходное устройство.
Задающий генератор вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. Усилитель - формирователь представляет собой линейное устройство позволяющее получить требуемое выходное напряжение.
Выходное устройство содержит аттенюатор, для ослабления выходного сигнала и элементы согласования генератора с нагрузкой.
1.2 Генераторы синусоидальных сигналов
В генераторе синусоидальных сигналов в качестве задающих устройств используют RC или LC – генераторы. RC – генераторы применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, LC - генераторы применяются в диапазоне высоких частот.
|
|
Структурная схема генератора синусоидальных сигналов (RC-генератора) приведена на рисунке:
Условные обозначения:
1- усилитель напряжения;
2- входной усилитель;
3 - выходное устройство.
Задающий генератор состоит из усилителя 1 и четырехполюсника (R 1, C 1, R2, C2), через который осуществляется обратная связь.
Для получения устойчивой генерации на определенной частоте необходимо, чтобы сумма фазовых сдвигов усилителя (φ) и четырехполюсника (ψ) равнялась 2πn (n=0,1,2…), а коэффициент усиленияК являлся величиной, обратной коэффициенту передачи четырехполюсника β, т.е. Кβ=1, φ + ψ = 2πn, где φ, ψ – фазовые сдвиги усилителя и четырехполюсника соответственно. Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи:
Обычно принимают R1=R2=R, C 1=C2=C тогда
Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т.е.
1.3 Генераторы импульсов
Структурная схема генератора импульсов:
Условные обозначения:
1 – задающий генератор;
2 – 4 – формирователи импульсов;
5 – выходной усилитель;
6 – аттенюатор.
|
|
В генераторах импульсов задающий генератор 1 вырабатывает импульсы в заданном диапазоне частот, которые используются для запуска последующих узлов прибора. В качестве задающего генератора часто применяют блокинггенераторы, мультивибраторы, RC или LC-генераторы. Он может работать в режиме внешнего запуска. В этом случае RC- и LC-генераторы переводятся в режим усиления, а релаксационные — в ждущий режим.
Сформированные импульсы задающего генератора выводятся для синхронизации внешних устройств (осциллографы, генераторы, схемы), а также поступают в устройства задержки.
Схема задержки выдает импульсы, задержанные относительно импульсов задающего генератора. Задержанные импульсы служат для запуска схемы формирования импульсов 4.Величина задержки регулируется в широких пределах.
В схему задержки входят схемы фиксированной и плавной задержек. Фиксированная задержка выполняется на линиях задержки, плавная осуществляется на базе релаксационных схем, работающих в ждущем режиме.
Формирующее устройство 4 вырабатывает импульсы определенной формы и требуемой длительности с амплитудой, обеспечивающей нормальную работу выходного усилителя. Обычно для этих целей используют блокинг-генераторы, мультивибраторы или фантастроны.
|
|
Выходной усилитель представляет собой линейный усилитель мощности, в котором осуществляется регулировка амплитуды импульсов, изменение полярности и согласование формирующего устройства с нагрузкой.
Амплитуда импульсов измеряется пиковым вольтметром или сравнивающим устройством. В последнем случае в схему сравнения одновременно подаются измеряемые импульсы и известное регулируемое напряжение постоянного тока. Момент сравнения отмечается загоранием сигнальной лампочки.
Лекция 2
1.1 Электронные осциллографы. Классификация
Электронный осциллограф (ЭО) - это прибор для визуального наблюдения и регистрации разнообразных электрических сигналов, а также для измерения различных параметров сигнала, определяющих их форму, значения, временные и частотно-фазовые соотношения. Электронный осциллограф характеризуется большим входным сопротивлением, высокой чувствительностью, малой инерционностью и широким частотным диапазоном.
В соответствии со стандартами осциллографы различают следующим образом:
|
|
1) По ширине полосы пропускания:
- - низкочастотные (полоса пропускания до единиц мегагерц);
- - широкополосные (полоса пропускания до тысяч - полутора тысяч мегагерц);
- - сверхскоростные (полоса пропускания до десятков гигагерц).
2) По количеству одновременно исследуемых сигналов:
- - однолучевые;
- - двулучевые;
- - многолучевые;
- - двухканальные;
- - многоканальные.
3) По характеру исследуемого сигнала (для наблюдения непрерывных, импульсных, универсальных и специальных сигналов);
4) По точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения временных интервалов и амплитуд: первого, второго, третьего, четвертого класса точности;
5) По масштабу времени, в котором исследуется процесс:
- - в реальном времени;
- - в измененном масштабе времени.
6) По условиям эксплуатации в соответствии с ГОСТами или технической документацией, утвержденной в установленном порядке.
1.2Электродинамические приборы
Электродинамические приборы (ЭД) применяют в качестве:
- - ваттметров постоянного и переменного токов (однофазные, трехфазные, малокосинусные);
- - амперметров и вольтметры переменного и реже постоянного токов;
- - фазометров (одно и трехфазных);
- - частотомеров;
- - фарадометров.
Электродинамические приборы характеризуются высоким классом точности. Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические измерительные механизмы не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности.
Показания электродинамических приборов отличаются высокой стабильностью во времени.
Электродинамические измерительные механизмы состоят из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки применяют круглые или прямоугольные.
В электродинамических измерительных механизмах возникает вращающий момент:
Mвр=I1*I2(dM1,2/dα)
где I1, I2 токи в цепях неподвижных и подвижных катушек;
М1,2 - взаимная индуктивность между катушками;
α - угол отклонения.
Выражения вращающихся моментов для различных типов измерительных механизмов различны.
Магнитоэлектрическая система.
В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и измеряемого постоянного тока в катушке механизма. В воздушном зазоре 1 (рис. 1.3) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS не подвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с обмоткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.
Рамка жестко соединена с двумя полуосямиО и О', которые своими концами опираются о подшипники. На полуосиО закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол a. Электромагнитная сила, действующая на обмотку, равна: Fэм=wBlI.
Вращающий момент, создаваемый силой Fэм:
Mвр= Fэмd = wBlI = C1I1 ,
где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); C1 — коэффициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.
Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания a:
Мпр=С2a ,
гдеС2 — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.
Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов Мвр=Mпр, т.е. когда С1I=С2a.
Угол поворота стрелки
пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.
При изменении направления тока изменяется направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки). При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.
Успокоение (демпфирование) стрелки в приборах магнитоэлектрической системы происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоянного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противоположном ее перемещению, вызывая быстрое успокоению колебаний рамки.
Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, равномерность шкалы, незначительное собственное потребление мощности. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерении в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам.
Лекция 3
Электромагнитная система.
Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 1.1).
Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка,— эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку.
При этом осьО поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол a.
Магнитная индукцияВв сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сердечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной индукцииВв сердечнике. Приближенно можно принять, что сила F,а следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:
Мвр=СI2.
Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер.Онсостоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.
Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах на оси подвижной части (рис. 1.1.2) укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно.
Направление намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф1 и Ф2 направлены в противоположные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно Mвр1 + Mвр2 = Mвр. Постороннее магнитное поле Фвн ослабляет поток Ф1, но усиливает поток Ф2. В результате общий вращающий момент Мвр остается неизменным и зависит от измеряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.
Достоинства приборов электромагнитной системы: простота конструкции, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его магнитная индукция невелика.
1.2 . Электродинамическая система.
Приборы этой системы (рис. 1.2а) состоят из двух обмоток: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная обмотка укреплена на оси OO' и расположена внутри неподвижной обмотки. На оси OO' подвижной обмотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4', через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент Мпр, пропорциональный углу закручивания a. Принцип действия прибора (рис. 1.2б) основан на взаимодействии тока I2 подвижной обмотки с магнитным потоком Ф1, неподвижной обмотки.
При постоянном токе электромагнитная сила Fэм, действующая на проводники подвижной обмотки, пропорциональна току и магнитному потоку Ф1. Поскольку поток Ф1 пропорционален току I1 неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален произведению токов обмоток:
Мвр= С' Ф1I2 = С"I1I2 , где С' и С" — коэффициенты пропорциональности.
При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:
i1 = I1mּsin(ωt) иi2 = I2mּsin(ωt + ψ).
Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:
Мвр= ψ.
ЗдесьС — коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек; I1 и I2 — действующие значения токов в обмотках; ψ— угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2.
При равенстве моментов (Mвр = Мпр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют для измерения мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.
Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсутствием ферромагнитных сердечников) и могут быть использованы для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой системы используются в качестве амперметров, вольтметров, и ваттметров.
Индукционная система.
Принцип действия индукционных приборов поясним на упрощенной схеме устройства однофазного счетчика переменного тока (рис. 1.3а—в).
Основными элементами прибора являются: трехстержневой электромагнит 1 с обмоткой 2, имеющей большое число витков из тонкой проволоки; П-образный электромагнит 3 с обмоткой 4, имеющей небольшое число витков из толстой проволоки; алюминиевый диск 5, который может вращаться вокруг оси 6.
Обмотка 2 включается параллельно измеряемой цепи, а обмотка 4 — последовательно с этой цепью.
Ток I1 в катушке 4 образует магнитный поток Ф1 который дважды пересекает алюминиевый диск 5. ТокI2 в обмотке 2 создает магнитный поток, часть которого Ф2 также пронизывает диск 5 (поток Ф2 замыкается по стальной скобе 7).
Ток I1 и напряжение U сдвинуты по фазе на угол j, значение которого определяется характером нагрузки, присоединенной к линии Л. ТокI2 благодаря большой индуктивности обмотки 2 отстает по фазе от напряжения U на угол, близкий к 90°. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 совпадают по фазе с вызвавшими их токами I1 и I2 (рис.1.3 г). Поток Ф1 пропорционален току нагрузки I1, а поток Ф2 — напряжению сети.
Переменные потоки Ф1, и Ф2 индуктируют в алюминиевом диске ЭДС E1 и Е2, отстающие по фазе от этих потоков на 90°. ЭДС E1 и E2 вызывают в диске токи IД1, и IД2 которые можно считать совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС. Примерная картина распределения токов в диске показана на рис.7.5,б.
Мгновенное значение силы Fэм действующей на элемент диска с током iд, равно
Fэм= kФiд = kФmsin(ωt)ּIдmsin(ωt +ψ),
где k — коэффициент пропорциональности; ψ — угол сдвига фаз между потоком Ф и токомIд.
Среднее за период значение силы Fэм
Fср= эм dt = ωtּsin(ωt+ψ)dt = k2ФIдcosψ. (1.3.1)
Из векторной диаграммы видно, что углы между потоком Ф1 и током Iд1 и между потоком Ф2 и током Iд2 равны 90°, угол между потоком Ф1 и током Iд2составляет (180° — j), а угол -между потоком Ф2 и током Iд1 равен j.
Учитывая это и исходя из (7.1), находим, что силы взаимодействия магнитных потоков Ф1 и Ф2 с токами Iд1 и Iд2 создают результирующий момент, вращающий диск:
Мвр= С1Ф1Iд2 cos(180˚− j) + С2Ф2Iд1 cosj =
= C 'Ф1Ф2 cos(180˚− j) + С 'Ф1Ф2 cosj = CUI1cosj = CP, (1.3.2)
где C',С1,С2— коэффициенты пропорциональности; Р — активная моность,птребляемая нагрузкой.
Из (7.2) следует, что вращающий момент, действующий надиск счетчика, пропорционален мощности Р.
Для создания противодействующего момента предусмотрен постоянный магнит 8 (рис.7.5а и б). При вращении диска поле постоянного магнита, индуктирует в нем вихревые токи, которые в соответствии с законом Ленца противодействуют вращению диска. Поскольку значение вихревых токов пропорционально частоте вращения диска п, противодействующий момент также пропорционален n:
Мпр = Соn.
Так как вращающий момент Мвр при установившейся частоте вращения диска уравновешивается противодействующим моментом Мпр, из формул (1.3.1) и (1.3.2) следует, что частота вращения диска пропорциональна мощности Р:
.
Число оборотов N, которое диск сделает за время t, будет пропорционально энергии W, полученной из сети нагрузкой за это же время:
N= .
Величина W/N=C0/C называется постоянной счетчика и представляет собой электрическую энергию, соответствующую одному обороту диска.
Счетчик снабжается счетным механизмом, связанным червячной передачей с осью диска. Измеряемая счетчиком энергия отсчитывается по показаниям счетного механизма.
Лекция 4
Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 587; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!