Zasada działania i budowa ustroju elektromagnetycznego

     Zasada działania ustroju elektromagnetycznego polega na wzajemnym oddziaływaniu jednego lub kilku elementów ruchomych wykonanych z materiału ferromagnetycznego (rdzeni) i pola magnetycznego wytwarzanego przez jedną lub kilka cewek, w których płynie prąd mierzony lub prąd proporcjonalny do mierzonego napięcia.

 Obecnie najczęściej budowane są ustroje o okrągłej cewce. W ustrojach tych oprócz rdzenia ruchomego jest jeszcze rdzeń nieruchomy, który służy między innymi do nastawiania maksymalnego odchylenia organu

Ustrój elektromagnetyczny o okrągłej cewce i dwóch rdzeniach 1 — rdzeń nieruchomy, 2 — rdzeń ruchomy, 3 — cewka

ruchomego przy znamionowych amperozwojach cewki. Zmiana położenia tego rdzenia powoduje również zmianę charakteru podziałki miernika.

Pole magnetyczne wytworzone w cewce powoduje magnesowanie się dwu rdzeni. Rdzenie wskutek jednoimiennego magnesowania odpychają się, powodując odchylenie wskazówki.
    

 Energia pola magnetycznego cewki:
     

gdzie L — indukcyjność cewki miernika.

     Energia ta zależy od położenia organu ruchomego, czyli od kąta odchylenia alfa. Jest to zrozumiałe, ponieważ indukcyjność cewki zależy od położenia rdzeni względem siebie.
     

Moment napędowy jest proporcjonalny do zmiany energii pola magnetycznego cewki, a zatem
     

Podany wzór określa wartość momentu napędowego zarówno przy prądzie stałym, jak i przy prądzie przemiennym. W tym ostatnim przypadku I oznacza wartość skuteczną prądu.    

Gdy organ ruchomy ustroju znajduje się w położeniu ustalonym wówczas moment napędowy jest równy momentowi zwracającemu
     M = M_z
a ponieważ moment zwracający wytwarza w mierniku elektromagnetycznym sprężyna spiralna lub taśmy zawieszeniowe,

więc
     M_z = k*α
Można zatem napisać
     

a z tego
     

Zależność między odchyleniem organu ruchomego a wartością prądu jest więc nieliniowa. Podziałka miernika jest nierównomierna.
     

Mierniki elektromagnetyczne należą do mierników konstrukcyjnie prostych i niezawodnych w eksploatacji — nie mają bowiem cewki ruchomej, a więc nie ma potrzeby doprowadzania prądu do organu ruchomego. Wykonuje się je jako amperomierze i woltomierze prądu przemiennego i prądu stałego we wszystkich klasach dokładności, przy czym mierniki tablicowe są zwykle przeznaczone tylko do pomiarów prądu przemiennego i wyskalowane są w wartościach skutecznych.

W obwodach prądu stałego mierniki elektromagnetyczne są stosowane rzadko, gdyż nie mają one lepszych właściwości metrologicznych niż mierniki magnetoelektryczne (dotyczy to zwłaszcza poboru mocy z obwodu kontrolowanego).

Amperomierze elektromagnetyczne

 wykonywane są jako bezpośrednie, tzn. że cały prąd mierzony płynie przez cewkę ustroju. Najniższy ich zakres pomiarowy wynosi 0 - 1 mA, a najwyższy 0 - 30 A. Pobierają moc od 1 W do 2 W. Amperomierze tablicowe budowane są jako jednozakresowe, a amperomierze laboratoryjne zwykle jako wielozakresowe. Amperomierze wielozakresowe mają cewki podzielone na sekcje. Sekcje łączy się tak, aby przepływ Iz przy prądzie znamionowym był taki sam na wszystkich zakresach. Sposoby łączenia sekcji cewki przedstawiono na rysunku

Rys. Układ połączeń sekcji uzwojeń cewek amperomierzy: a) sekcje szeregowe — zmiana zakresu przez zmianę liczby sekcji; b) sekcje przełączalne — zmiana zakresu przez zmianę sposobu łączenia

     Jeżeli amperomierz jest przeznaczony tylko do pomiarów prądu przemiennego, to poszerzenia jego zakresu dokonuje się często za pomocą wieloodczepowego przekładnika prądowego umieszczonego w obudowie miernika. Układ wielozakresowego amperomierza z przekładnikiem przedstawiono na rysunku

Układ wielozakresowego amperomierza z przekładnikiem

     Do najczęściej występujących błędów dodatkowych amperomierzy należą błędy: histerezowy, częstotliwościowy, temperaturowy i wskutek zewnętrznych pól magnetycznych.
     Przy pomiarach prądu stałego wskazania amperomierza są inne gdy prąd w cewce ustroju zwiększa się, a inne gdy się zmniejsza. Powodem tego jest odmienny przebieg charakterystyki magnesowania B = f(I) materiału rdzenia przy wzrastającym i malejącym prądzie. W wyniku histerezy magnetycznej, otrzymuje się przy dwóch różnych wartościach prądów (I' oraz I") taką samą wartość indukcji magnetycznej w rdzeniu. Odchylenie organu ruchomego zależy od indukcji w rdzeniu. Im większa jest wartość indukcji, tym większy jest strumień magnetyczny i tym większa jest zmiana indukcyjności cewki ustroju przy zmianach położenia rdzenia.

Błąd histerezowy definiuje się ze wzoru
     

Rys. Zależność indukcji w rdzeniu od prądu w cewce

Błąd ten nie występuje przy prądzie przemiennym, gdyż zależność między indukcją w rdzeniu a prądem w cewce jest charakteryzowana przez krzywą komutacyjną magnesowania (linia przerywana na powyższym rysunku).

     W częściach metalowych ustroju amperomierza, znajdujących się w zasięgu pola magnetycznego cewki zasilanej prądem przemiennym indukują się prądy. Pole magnetyczne wytworzone przez te prądy osłabia pole cewki, w wyniku czego następuje zmniejszenie wskazania amperomierza. Powstający w ten sposób ujemny błąd nazywa się błędem częstotliwościowym. Ze względu na dopuszczalną wartość tego błędu górna granica zakresu częstotliwościowego amperomierzy laboratoryjnych nie przekracza 1500 Hz.

     Przy zmianie temperatury otoczenia zmieniają się: rezystancja uzwojenia cewki i stała zwracania sprężyn lub taśm zawieszenia. Jak wiadomo, zmiana rezystancji cewki nie powoduje błędu dodatkowego. Błąd temperaturowy wynikający ze zmiany stałej zwracania jest mniejszy niż analogiczny błąd w amperomierzach magnetoelektrycznych, gdyż moment napędowy miernika elektromagnetycznego zależy od prądu w potędze drugiej (
) i do zrównoważenia zmiany wskazania wystarcza mniejsza zmiana prądu.

     Istotny wpływ na dokładność wskazań amperomierzy mają zewnętrzne pola magnetyczne. Indukcja pola w cewce ustroju wynosi od kilku do kilkunastu militesli. Nawet niewielkie zewnętrzne pola magnetyczne w istotny sposób wpływają na odchylenie organu ruchomego. Mierniki elektromagnetyczne muszą więc być ekranowane. W miernikach tablicowych o obudowie stalowej ekranem jest obudowa, zaś w miernikach laboratoryjnych ekrany w postaci kubków otaczających ustrój wykonuje się z blachy permalojowej.

Woltomierze

     Ustrój pomiarowy woltomierza elektromagnetycznego różni się od ustroju amperomierza tylko liczbą zwojów cewki. Cewka woltomierza ma większą liczbę zwojów z cieńszego drutu. W szereg z cewką włączony jest opornik szeregowy nawinięty drutem manganinowym lub konstantanowym, a niekiedy jest to opornik metalowy warstwowy. Wówczas prąd w ustroju
     I = U/Z
gdzie: U — napięcie mierzone; Z — moduł impedancji ustroju i opornika szeregowego.
    

 Po podstawieniu wartości prądu do wzoru wyrażającego odchylenie organu ruchomego miernika elektromagnetycznego otrzymuje się
     

     

Woltomierze pobierają moc rzędu kilku watów. Buduje się je zazwyczaj na napięcie znamionowe od 6 do 600 V. W celu dokonania pomiarów napięć przemiennych wyższych od 600 V woltomierz przyłącza się do obwodu kontrolowanego przez przekładnik napięciowy.
     Woltomierze kilkuzakresow mają kilka oporników połączonych szeregowo z cewką ustroju.
     Błędy - histerezowy i z wpływu zewnętrznych pól magnetycznych występujące w woltomierzach elektromagnetycznych, są takie same jak w amperomierzach.

Nieco inaczej przedstawia się zagadnienie błędów temperaturowego i częstotliwościowego.
     Błąd temperaturowy woltomierza jest wywołany nie tylko zależnością stałej zwracania ustroju od temperatury, lecz także zależnością rezystancji cewki od temperatury. Ze wzrostem temperatury otoczenia powstający błąd ze zmniejszania się stałej zwracania jest dodatni, a błąd wynikający ze wzrostu rezystancji cewki nawiniętej przewodem miedzianym — ujemny. Korekcji błędu wypadkowego dokonuje się przez odpowiedni dobór stosunku rezystancji cewki do rezystancji opornika dodatkowego w sposób podobny jak w woltomierzach magnetoelektrycznych.
     Błąd częstotliwościowy w woltomierzach powstaje na skutek występowania prądów indukowanych w częściach metalowych ustroju oraz na skutek zmiany modułu impedancji cewki i opornika dodatkowego. Woltomierz używany do pomiarów napięcia o częstotliwości większej od znamionowej ma więc impedancję większą niż znamionowa. Wskazania woltomierza maleją — występuje błąd ujemny.

Układ wielozakresowego woltomierza z korekcją błędu częstotliwościowego

     Błąd wynikający ze zmiany modułu impedancji można korygować przez zbocznikowanie opornika dodatkowego kondensatorem (rysunek powyżej). Pojemność kondensatora dobiera się w taki sposób, aby dla określonej częstotliwości f₀ reaktancja układu była równa zero. Dobór korzystnego stosunku częstotliwości f₀ do częstotliwości znamionowej woltomierza zapewnia zmniejszenie błędu w szerokim zakresie zmian częstotliwości. Ze względu na dopuszczalną wartość tego błędu górna granica zakresu częstotliwościowego woltomierzy nie przekracza 1 kHz.

Fazomierze

     Ustrój elektromagnetyczny, w którym moment zwracający jest wytwarzany nie przez sprężyny spiralne, lecz momentem napędowym drugiego ustroju nazywa się ustrojem ilorazowym.
     Ustroje elektromagnetyczne ilorazowe wykazują istotne zalety. Przede wszystkim nie wymagają doprowadzenia prądu do organu ruchomego, co znacznie upraszcza budowę miernika. Ponadto łatwo jest wykonać ustrój ilorazowy o kącie odchylenia 360°, dzięki czemu ustroje te są powszechnie stosowane do budowy fazomierzy. Kąt odchylenia organu ruchomego o 360° umożliwia budowę tzw. fazomierzy czterokwadrantowych, tj. mierników umożliwiających pomiar cos fi w całym zakresie zmian (od cos fi = 0 do cos fi = 1 ind. oraz od cos fi = 1 poj. do cos fi = 0) zarówno przy odbiorze, jak i dostawie energii elektrycznej.

Fazomierz trójfazowy

Ustrój ma trzy cewki przesunięte w przestrzeni między sobą o 120°. Prądy w tych cewkach są przesunięte w fazie o 120°. Przesunięcie fazowe uzyskuje się przez włączenie cewek w różne fazy sieci trójfazowej. Strumienie magnetyczne wytwarzane przez cewki dodając się do siebie tworzą pole wirujące o stałym natężeniu. Wirujące pole magnetyczne przecinając rdzeń wytwarza w nim sinusoidalny strumień magnetyczny.

Ustrój fazomierza z rdzeniem w kształcie litery Z

Układ połączeń fazomierza trójfazowego

     Środkowa część rdzenia jest umieszczona w cewce zwanej cewką magnesującą. Prąd płynący przez tę cewkę wytwarza w rdzeniu drugi strumień, również sinusoidalny, o takiej samej częstotliwości jak strumień pola wirującego. Na skutek oddziaływania strumieni rdzeń ustawia się w takim położeniu, w którym skojarzony z nim strumień wypadkowy ma największą wartość. Położenie to odpowiada zgodności faz strumienia wirującego i strumienia cewki magnesującej. Jeżeli prąd przewodowy płynący przez cewkę magnesującą zmieni fazę względem napięcia fazowego, a więc zmieni się wartość cos fi, to zmienia się odpowiednio położenie rdzenia. Fazomierze tego typu nadają się do pomiaru cos fi tylko w sieciach trójfazowych trójprzewodowych obciążonych symetrycznie.

Fazomierz jednofazowy

Układ połączeń fazomierza jednofazowego

Dwa rdzenie w kształcie litery Z przesunięte względem siebie o 90° są osadzone na wspólnej osi wykonanej z materiału nieferromagnetycznego Przez cewki magnesujące płyną prądy przesunięte względem siebie w fazie o 90°. Strumienie magnetyczne rdzeni, przesunięte w przestrzeni i fazie o 90°, tworzą pole magnetyczne wirujące. Ponieważ rdzenie są umieszczone w polu cewki nieruchomej, przez którą płynie prąd odbiornika, powstaje więc sytuacja analogiczna do omówionej przy fazomierzu trójfazowym.
Fazomierze elektromagnetyczne są budowane na prądy znamionowe od 0,25 A do 5 A i napięcia od 30 V do 600 V w klasach dokładności 1,5 i 2,5.

8

---