Электродинамический фазометр

Электродинамический фазометр Weston в Музее энергетики Урала

Электродинами́ческий фазоме́тр с логометри́ческим измери́тельным механи́змом — электроизмерительный прибор электродинамической системы, предназначенный для измерения фазового сдвига между током и напряжением в исследуемой цепи переменного тока, как правило, промышленной частоты (50 или 60 Гц).

Обычно используется для определения коэффициента мощности и имеет шкалу, оцифрованную в $\cos \phi$.

Устройство прибора

Прибор относится к приборам электродинамического принципа действия, то есть вращающий момент возникает от взаимодействия магнитных полей токов в обмотках и не содержит постоянные магниты, как приборы магнитоэлектрической системы измерения.

Подвижная часть прибора, скреплённая с показывающей стрелкой, представляет собой две жестко скрепленные между собой рамки с обмотками, плоскости рамок образуют между собой угол 60°. Ось, проходящая через прямую пересечения плоскостей рамок крепится на двух опорах. Система рамок может свободно вращаться в подшипниках опор и не имеет пружин, создающих возвращающие моменты силы. Рамки помещены в воздушном зазоре магнитопровода с третьей дополнительной обмоткой — токовой обмоткой, эта обмотка включается последовательно с нагрузкой и ток в этой обмотке порождает переменное магнитное поле в магнитопроводе и кольцеобразном воздушном зазоре.

Обмотка одной из рамок включена последовательно с постоянным внутренним добавочным резистором, Обмотка второй рамки включена последовательно с внутренней дополнительной катушкой индуктивности. Цепи обеих рамок включены параллельно источнику напряжения, питающего нагрузку. Так как в цепи одной из рамок включена катушка индуктивности с больши́м значением индуктивности, ток в цепи этой рамки сдвину относительно тока в цепи другой рамки на некоторый фазовый угол, практически близкий к 90°. Взаимодействие магнитных полей в воздушном зазоре и рамках порождает вращающий момент, зависящий от фазовых сдвигов токов в рамках и фазы тока обмотки магнитопровода, стремящийся развернуть рамки таким образом, чтобы противоположно направленные вращающие моменты рамок взаимно скомпенсировались и суммарный вращающий момент стал равен нулю. Положение рамок, при котором их вращающие моменты уравновешиваются зависит от фазового сдвига между током и напряжением нагрузки. Именно угол поворота рамок и является мерой фазового сдвига между током и напряжением нагрузки.

Принцип действия

Электрическая схема логометрического фазометра и его подключение в измерительную цепь

По неподвижной и обмоткам рамок протекают токи $I,I_1,I_2$ соответственно. От взаимодействия магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по неподвижной обмотке и обмоткам подвижных рамок создаются два вращающих момента от тока рамок $M_1$ и $M_2.$ Так как по всем обмоткам протекает переменный ток, то и моменты непостоянныи и изменяются во времени с частотой изменения токов. Усреднённые по времени за период изменения токов моменты $M_1$ и $M_2$ зависят от угла поворота подвижной части относительно магнитопровода и всегда направлены в противоположные стороны. Выражения для средних значений моментов имеют вид:

$M_1=c_1\cdot I\cdot I_1\cdot \cos {\psi }_1\cdot f_1(\alpha ),$

$M_2=c_2\cdot I\cdot I_2\cdot \cos {\psi }_2\cdot f_2(\alpha ),$

где ${\psi }_1,$ ${\psi }_2$ — углы сдвига фаз между токами в неподвижной обмотке $I$ и токами $I_1,$ $I_2$ соответственно в рамках;

$c_1$ и $c_2$ — коэффициенты, зависящие от конструкции устройства системы единиц. Под действием этих моментов подвижная часть поворачивается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство моментов.

При этом:

$M_1=M_2$ или $c_1\cdot I\cdot I_1\cdot \cos {\psi }_1\cdot f_1(\alpha )=c_2\cdot I\cdot I_2\cdot \cos {\psi }_2\cdot f_2(\alpha ).$

Тогда:

$\frac{I_2\cos {\psi }_2}{I_1\cos {\psi }_1}=\frac{c_1{f}_1(\alpha )}{c_2{f}_2(\alpha )}=f_3(\alpha ),$

и угол поворота рамок не зависит от амплитуд токов и напряжений, а только от фазового сдвига между током и напряжением нагрузки. Применение воздушного зазора с изменяемой шириной и угла между рамками шкалу прибора можно сделать линейно или от фазового сдвига, или от косинуса фазового сдвига.

Недостатки электродинамического фазометра

Недостатком таких фазометров является сравнительно большая потребляемая мощность от цепи, в которой производится измерение и некоторая зависимость показаний от частоты в сети.

См. также

• Фазометр
• Логометр

Литература

• Шаблон:Книга