ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ Й ІНДУКЦІЙНІ ФАЗОМЕТРИ
Конструкція трьохмоментного логометра, що застосовується як електромагнітний фазометр, представлена на рис. 5. За двома нерухомими зовнішніми котушками A1 й A2 протікають струми I1 й I2 зрушені по фазі на кут, рівному просторовому куту між котушками, у результаті чого створюється колове обертове поле. На нього накладає пульсуюче поле внутрішньої котушки A3, по якій протікає струм I3 . Рухлива частина приладу утворена секторами F, приклепаними до ферромагнитнои втулки с. Вся система вимірювального механізму оточена кільцевим магнитопроводом S.
В положенні рівноваги рухлива частина розташовується так, що сектори F установлюються уздовж великої осі еліптичного обертового поля, що є сумою полів всіх трьох котушок.
Рівняння рівноваги рухливої частини приладу може бути представлене у вигляді:
(47)
де L1,L2,L3 — індуктивності котушок A1 , A2 , A3 ;
M1,2 , M2,3 , M1,3 — взаємні індуктивності відповідних пар котушок.
Теоретичне й експериментальне дослідження фазометра з описаним вимірювальним механізмом проведене В. В: Смеляковим.
В основу дослідження був покладений метод визначення обертаючого моменту приладу по похідній від енергії системи по куті відхилення рухливого елемента. Розглядаючи рівняння (47), можна бачити, що для одержання, наприклад, однофазного фазометра із коловю рівномірною шкалою по градусах необхідно виконати ряд умов:
1. Геометричний кут між площинами котушок A1 й A2 повинен бути дорівнює куту зрушення фаз між рівними по величині струмами в них (бажано мати цей кут рівним 90°);
2. Індуктивність L3 котушки A3 не повинна залежати від кута повороту рухливого елемента α , тобто d'L3 ⁄d'α = 0
3. Параметри приладу повинні бути обрані так, щоб першими двома членами рівняння (47) можна було знехтувати, тобто повинна дотримуватися рівність
що можливо у двох випадках:
(48)
(49)
4. Взаємоіндуктивність між внутрішньої A3 і зовнішніми A1 й A2 котушками повинні бути синусоїдальними функціями α.
Велике значення в одержанні оптимальних параметрів приладу має правильний вибір кута розчину 2γ зовнішньої котушки (A1 або A2) і кути розчину сектора δ . В. В. Смеляковим було знайдено, що при γ=57o , δ = 120o і виконується умова (48), а при γ=57o , δ = 180o і куті між котушками A1 й A2 90° — умова (49). Другий випадок для фазометра найбільш сприятливий, тому що при γ=57o , δ = 180o залежність M1,3(α) ближче до синусоїдального.
Трифазний фазометр може бути побудований як із двома, так і із трьома зовнішніми котушками. В останньому випадку доцільно мати γ = 36O тому що при цьому виключається п'ята гармоніка в кривій M1,3(α), а третя гармоніка в трифазній системі, як відомо, відсутня.
Логометр, зображений на мал. 5, застосовується як вимірювальний механізм у промислових щитових трифазних фазометрах Э160 й Э170 (Л. 35, 65]. У пазах статора, аналогічного статору малогабаритного асинхронного електродвигуна, покладена трифазна обмотка, що живить симетричною системою лінійних напруг. В середині статора коаксиально розташована котушка порушення, що живить лінійним струмом навантаження. Рухлива частина приладу у вигляді Z-подібного сердечника обладнане стрілкою, що переміщається по шкалі з максимальним кутом 180°, градуйованої в значеннях cos φ . Межі виміру фазометрів 0—1—0; клас точності 2,5; робоча частота 50 гц.
Деяку іншу конструкцію й схему включення в мережу мають переносні трифазні фазометри типу Э120 (робочі частоти 50 або 400—500 гц, межі виміру в значеннях cos φ 0-1-0, клас точності 1,5) і щитові трифазні фазометри типу Э144 з аналогічними технічними характеристиками, але мають клас точності 2,5. У цих приладах зовнішні котушки, покладені в пази статора, утворять двофазну обмотку, що включає в мережу послідовно, а внутрішня котушка живиться струмом, пропорційним напрузі мережі.
Серія цих приладів призначена для роботи при температурі навколишнього повітря від -40 до +60°С і відносної вологості до 98%.
Подібний логометр застосовується як вимірювальний механізм й у закордонному електромагнітному фазометрі [Л. 59]. Конструкція й схема його включення в мережу аналогічні фазометрам Э120 й Э144. Трифазному фазометру надається фазорозщепний пристрій, що забезпечує можливість виміру в однофазних ланцюгах.
Групою авторів [Л. 55] запропонований електромагнітний фазометр, конструкція вимірювального механізму якого представлена на мал. 6. Кільцевий магнитопровод фазометра 1 обвиває кільцева обмотка підмагнічування, що живить струмом навантаження й що створює замикається по магнитопроводу пульсуючий магнітний потік намагнічуючі обмотки ω1, ω2 збуджені напругою мережі, створюють обертовий магнітний потік.
Рис. 6. Варіант електромагнітного фазометра. а-конструкція; б-принципова схема.
У результаті взаємодії обертового й пульсуючого потоків у магнитопроводе утвориться насичена ділянка, що переміщається по окружності відповідно зміні кута зрушення фаз між потоками. Це у свою чергу викликає поворот поляризованого рухливого елемента 2, виконаного у вигляді діаметрально намагніченого диска. Кільцевий екран 3 захищає вимірювальний механізм від впливу зовнішніх магнітних полів, а також є магнитопроводом, по якому замикаються потоки обмоток збудження.
Уступаючи електродинамічним фазометрам у точності, електромагнітні фазометри мають ряд переваг, що полягають у можливості побудови чотириквадрантного фазометра з кутом шкали в 360°, трохи меншому споживанні потужності й відносно більшому встановлюваному моменті.
Різними авторами запропоновано кілька конструктивних варіантів фазометра індукційної системи.
С. К. Дурникиним запропонований трифазний фазометр, у якому рухлива система двухэлементного індукційного логометра виконана у вигляді укріплених на загальній осі двох фігурних металевих дисків. Кожний з обертаючих елементів впливає на один з дисків, причому обертаючі моменти спрямовані в протилежні сторони. При зміні різниці фаз у досліджуваному колі обертаючі моменти кожного елемента змінюються по різному, і рухлива частина встановлюється в положенні рівноваги, що відповідає певному куту зрушення фаз. Кут шкали приладу досягає 270°, магнитопровод послідовного кола обох елементів виконаний загальним.
Інший варіант індукційного фазометра запропонований В. В. Смеляковим, М. Е. Бушмииим, Г. М. Сапуновим і С. М. Сергиенко. Магнітна система фазометра складається із двох кільцевих концентричних замкнутих магнитопроводів. На внутрішньому магнитопроводі розміщена обмотка збудження, що створює в зовнішньому магіитопроводі обертове поле, а на зовнішньому - обмотка підмагнічування, що створює пульсуюче поле. При рівності амплітуд магнітних потоків обох полів у зовнішньому магнитопроводі створюється мала ділянка практично нульового потоку, що переміщається по околі магнитопровода відповідно зміні кута зрушення фаз між двома потоками. Якщо фазометр має рухливу короткозамкнену котушку, що охоплює магнитопровод, то кут зрушення фаз відраховує по куті повороту цієї котушки, що переміщається разом з ділянкою нульового потоку. Якщо ж вимірювальна котушка нерухома й у її ланцюг включений нульовий покажчик, то вимірюваний кут зрушення фаз відраховує по куті повороту котушок збудження, які в цьому варіанті приладу повинні бути зроблені рухомі.
Подібний за принципом дії індукційний фазометр може бути побудований на базі логометра Ф. М. Жербіна.
А. А. Степаняном й А. А. Кольцовим запропонований однофазний індукційний фазометр, магнитопровод якого також складається із двох концентричних кільцевих сердечників. Зовнішній сердечник постачений двома паралельно включеними обмотками збудження, що живляця струмами, зрушеними на 90°. Ці обмотки створюють у просторі між сердечниками обертове магнітне поле. На внутрішній сердечник надіта короткозамкнена рухлива рамка, що для підвищення чутливості приладу виконана у вигляді вісімки, петлі якої охоплюють діаметрально розташовані ділянки внутрішнього сердечника. Контролююче коло приєднане до середніх точок перехресних частин рамки. Для зменшення моменту опору, створюваного струмопровідними провідниками, рамка з'єднується з контрольованим колом додатковим кільцевим трансформатором, первинна обмотка якого включена в контрольований ланцюг, а вторинна виконана у вигляді рухливої рамки, скріпленої з основною рамкою приладу й з'єднаної із середніми точками її пересічних частин.
Істотних переваг у порівнянні з фазометрами інших систем індукційні фазометри не мають і серійно промисловістю не випускаються.
Цифові фазомитри
Фазометр призначений для виміру кутів зрушення фаз між двома періодично електричними коливаннями, що змінюються, і може бути застосований у радіоаматорській практиці при розробці, регулюванні й експлуатації електронних й електротехнічних апаратів і пристроїв. Пропонований електронний фазометр дає одночасно інформацію про знак і величину кута зрушення фаз, що робить її більше наочної. У приладі вдалося істотно спростити вузли виділення величини й знака кута й сполучити функції окремих елементів.
Основні технічні характеристики
Діапазон вимірюваних кутів зрушення фаз, эл. град 0... 180
Діапазон робочих частот, Гц 10... 104
Діапазон вхідних напруг, В 0,01...50
Діапазон вимірюваних струмів, А. 0,01...2
Погрішність виміру, %, не більше 2
Принципова схема електронного фазометра наведена на мал. 1.
Вхідні напруги Uвх1 й Uвх2 довільні форми (наприклад, синусоїдальні) від вимірюваних кіл через дільники R1VD1VD2 й R2VD3VD4 надходять на вхід формувачів DA1 й DA2 (компаратори напруги) і перетворяться в однополярні прямокутні імпульси з досить крутими фронтами й спадами. Ширина імпульсів відповідає тривалості напівперіоду вхідного сигналу, що ілюструється тимчасовими діаграмами, представленими на мал. 2.
Динамічний D-тригер (DD1) виділяє знак кута зрушення фаз, тобто фіксує в момент формування фронту імпульсу другого вимірювального каналу, використовуваного в даній схемі в якості синхронізуючі (тактового), що випереджає або відстає характер сигналу першого вимірювального каналу, вихід формувача якого з'єднаний з інформаційним входом D-тригера. При цьому синхронізуючий імпульс своїм фронтом переводить D-тригер у стан, обумовлений рівнем напруги на його інформаційному вході в цей момент часу. Тому, якщо вхідна напруга Uвх1 випереджає по фазі напруга Uвх2 на прямому виході D-тригера (висновок 9 DD1.1) установлюється напруга, що відповідає логічній одиниці, а на інверсному виході - логічному нулю.
