С.Н. Охулков ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

Кафедра “Теоретическая и общая электротехника”

Для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения

Федеральное агентство по образованию
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

школа управления и технологий Очная и заочная форма обучения
- Автомобили и

автомобильное хозяйство - Автомобиле- и тракторостроение - Технология машиностроения

измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

по физическому принципу действия измерительного
механизма;
в) по роду

тока;
г) по классу точности;
д) по типу отсчитывающего устройства;
е) по исполнению в зависимости от условий эксплуатации;
ж) по устойчивости к механическим воздействиям;
з) по степени защиты от внешних магнитных и
электрических полей и др.

Электроизмерительные приборы дают возможность измерять как электрические, так и неэлектрические величины. На шкале приво­дится название прибора или начальная латинская буква измеряемой еди­ницы.

на следующие виды:

вольтметры (обозначаются буквой V)
амперметры (А)

ваттметры (W)
омметры ()
счетчики энергии (kWh)
фазометры ();
частотомеры (Hz) и др.

электроизмерительных приборов:

магнитоэлектрическая
электромагнитная
электродинамическая
ферродинамическая
индукционная
электростатическая

вибрационная и др.

приборов
по роду тока:

постоянный ток
переменный (однофазная система)

постоянный и переменный
трехфазная система
трехфазная несимметричная система

стандартам.

Класс точности обозначается цифрой,
которая равна приведенной погрешности
(в

процентах), допускаемой прибором.

Выпускают приборы таких классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

В счетчиках электроэнергии классы точности следующие: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5.

приборы могут быть:

показывающие
регистрирующие
самопишущие
печатающие
интегрирующие

суммирующие

Более распространены показывающие приборы, т. е. приборы непосредственной оценки. Отсчитывающее устройство этих приборов состоит обычно из шкалы и указателя. Указателем может быть стрелка или световое пятно с черточкой. Такие показывающие приборы называются аналоговыми. Показания данных приборов — это непрерывная функция измеряемой величины. В цифровых электроизмерительных приборах показания приводятся в цифровом виде.

температур и относительной влажности электроизмерительные приборы разделяются на пять групп:

группа А (температура +10...+35°С, влажность 80)
группа Б (температура -30...+40°С, влажность 90)
группа В1 (температура -40...+50°С, влажность 95)
группа В2 (температура -50..,+60°С, влажность 95)
группа В3 (температура -50...+80°С, влажность 98)

в зависимости от значения максимально допустимого ускорения при ударах и

вибрациях (м/с2). По стандарту электро-измерительные приборы разделяются на группы :

обычные с повышенной прочностью (ОП)
нечувствительные к вибрациям (ВН)
вибропрочные (ВП)
нечувствительные к тряске (ТН)
тряскопрочные (ТП)
ударопрочные (У)

Обычные приборы группы ОП выдерживают ускорение до 15 м/с

электрических полей
приборы разделяются на I и II категории.
От

внешних полей приборы защищаются экранами.

У большинства показывающих электроизмерительных приборов
подвижная часть устройства перемещается вследствие действия вращающего момента.
Вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных или электрических полей и до некоторой степени пропорционален измеряемой величине. В измерительном устройстве всегда есть противодействующий момент, который создается механической или электромагнитной силой.
.
Приборы, в которых создается
электромагнитный противодействующий момент, называют
логометрами.

электростатическая
вибрационная и др.

постоянного магнита с проводником с током. Подвижной частью может быть

рамка с током или постоянный магнит, расположенный на оси.

Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом являются приборами низких классов точности и применяются как указательные в транспортных средствах и др.
Электроизмерительные приборы с подвижной рамкой имеют высокую точность и применяются при более точных измерениях.
На рамку с током в магнитном поле действует электромагнитная сила. Поскольку сила определяется по закону электромагнитной силы, то и вращающий момент будет пропорционален току, протекающему в рамке. Если противодействующий момент создается пружиной

то угол поворота рамки (стрелки прибора) а пропорционален току в рамке

(m - удельный противодействующий момент, с – постоянная величина)

ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

равномерная, что является преимуществом таких приборов.
Величина
называется
чувствительностью прибора
и

характеризует класс точности

оси ферромагнитную пластинку. Если в катушке протекает измеряемый ток, то

созданное катушкой поле втягивает вглубь ферромагнитный лепесток.

Если измеряется величина в цепи постоянного тока, то вращающий момент пропорционален квадрату тока. Если в катушке протекает синусоидальный ток, то вращающий момент пропорционален квадрату действующего значения этого тока

где k – коэффициент пропорциональности

Угол отклонения подвижной части также пропорционален квадрату тока

направления тока, т. е.


приборами
электромагнитной системы
можно измерять
как

в цепях постоянного,
так и в цепях переменного тока

системы могут непосредственно измерять значительные токи (до 300 А) и

напряжения (до 600 В).
Измерительный механизм амперметра на большой ток имеет катушку в виде одного витка медной шины.
Электромагнитный вольтметр на большое напряжение имеет катушку с большим количеством витков провода малого сечения с дополнительными резисторами, которые компенсируют температурные погрешности.

Точность электромагнитного прибора значительно ограничивается из-за наличия ферромагнитного сердечника и связанного с этим явления остаточного намагничивания. Для уменьшения влияния гистерезиса (т. е. повышения класса точности прибора) сердечник изготовляют из специальных ферромагнитных сплавов (например, пермаллоев) с небольшой коэрцитивной силой.

возможность использования в цепях постоянного и переменного тока;
в)

высокую перегрузочную способность.


К недостаткам приборов электромагнитной системы относят:

а) невысокую точность;
б) невысокую чувствительность;
в) большое собственное потребление электроэнергии (0,5... 15 Вт); г) ограниченный частотный диапазон измеряемых величин;
д) неравномерность шкалы;
е) чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

неподвижной и подвижной.

Неподвижная катушка имеет две секции, внутри которых

на оси расположена подвижная катушка. При наличии тока в катушках возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку, т. е. вращающий момент пропорционален (для постоянных токов и соответствующей конструкции механизма) произведению токов:

ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

пропорционален произведению действующих значений тока и косинусу сдвига фаз между

ними:

Электродинамические приборы можно использовать как амперметры, вольтметры и ваттметры в цепях постоянного и переменного токов

очень высокую точность (классы 0,1; 0,2; 0,5);

возможность использования в цепях постоянного
и переменного тока.

Высокая точность этих приборов обусловлена тем, что магнитные потоки замыкаются по воздуху, а не в ферромагнитных сердечниках, т. е. исключаются влияние и погрешности явления гистерезиса, вихревых токов и др. Поэтому приборы электродинамической системы в виде пе­реносных широко применяются в точных лабораторных исследованиях.

влияния внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля;

слабую перегрузочную способность вследствие ограничения токоподвода к подвижной катушке;
значительную потребляемую мощность;
незначительный вращающий момент.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей и с целью увеличения вращающего момента в приборах ферродинамической системы применяется ферромагнитный сердечник. Неподвижная катушка этих приборов расположена на стальном магнитопроводе.
Прибор создает мощный магнитный поток, который защищает его от влияния внешних полей и повышает вращающий момент.

(амперметры, вольтметры, ваттметры и т. п.). Но самое большое распространение

получили
индукционные счетчики электрической энергии.

Индукционный счетчик —
это маленький двигатель переменного тока.
Принцип действия основывается на взаимодействии вращающегося (или бегущего) магнитного поля с вихревыми токами в подвижной части прибора.

на некоторый угол.
Эти потоки создаются двумя электромагнитами.
Обмотка одного

электромагнита (с большим количеством витков) включена параллельно нагрузке.
Обмотка второго имеет, малое количество витков и включается последовательно с нагрузкой,
т. е. один поток пропорционален напряжению,
а второй—току нагрузки.

Создается
вращающий момент Мвр,
пропорциональный мощности переменного тока,

Мвр = kР

часть –
алюминиевый диск.
В результате взаимодействия постоянного магнитного потока

с вихревыми токами создается
тормозящий момент Мт.

При постоянной частоте вращения

Мвр = Мт,

W = cn,

момент;
устойчивость к значительным перегрузкам (по току до 300%);

независимость от внешних магнитных полей.

Стоит отметить, что счетчики индукционной системы используют для переменного тока лишь одной частоты. Показания приборов этой системы в значительной степени зависят от температуры окружающей среды.

Для расширения пределов измерения энергии
переменного тока по напряжению и току
используют
измерительные трансформаторы напряжения и тока.

изолированных пластин.
Под действием потенциала подвижная пластина отклоняется,
т. е.

создается вращающий момент,
пропорциональный квадрату постоянного напряжения,
или квадрату действующего значения
синусоидального напряжения:

Приборы электростатической системы
используются только как
вольтметры постоянного и переменного напряжения.

энергии;
нечувствительность к внешним магнитным полям и

колебаниям температуры;
возможность измерять высокие напряжения без применения
измерительных трансформаторов напряжения.

К недостаткам приборов этой системы
можно отнести
сравнительно низкую чувствительность приборов.

Для расширения пределов измерения
электростатическими вольтметрами
применяют
емкостные и резистивные делители напряжения

Цифровые приборы измеряют значения непрерывной
электрической величины в

отдельные моменты времени.
Результат измерения выдается в цифровой форме.

Промышленность изготовляет цифровые вольтметры
постоянного напряжения от 1 мкВ до 1000 В.
Благодаря применению калиброванных шунтов эти приборы можно использовать как цифровые амперметры до 7500 А, а также как вольтметры переменного напряжения, частотомеры, омметры и др.
Эти приборы имеют очень большую точность измерения (погрешности от 0,1 до 1%), большое быстродействие, широкий диапазон измерений. Цифровые приборы можно коммутировать с вычислительными машинами.

К недостаткам цифровых приборов нужно отнести их высокую стоимость и относительную сложность.

цепи амперметр включают последовательно с элементами цепи.

В цепях постоянного

тока обычно применяются приборы магнитоэлектрической системы
и нечасто - электромагнитной системы.

Для уменьшения погрешности измерения нужно,
чтобы сопротивление амперметра было значительно меньше
(на два порядка), чем сопротивление элемента ветви, в которой измеряется ток.

элементу, напряжение на котором нужно определить.

В цепях постоянного тока

обычно пользуются приборами магнитоэлектрической системы.
Для уменьшения погрешности измерения сопротивление вольтметра должно быть больше (на два порядка), чем сопротивление элемента,
на котором измеряется напряжение.

по показаниям
амперметра и вольтметра.

шунты
Если IA — максимально допустимый ток амперметра, то можно

записать:

По первому закону Кирхгофа:

Отношение

называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром. В этом случае можно определить сопротивление шунта, который обеспечивает расширение пределов с коэффициентом n:

дополнительные сопротивления, которые включаются последовательно с обмоткой вольтметра
Если UV

— максимально допустимое напряжение вольтметра, то

Тогда

Поскольку

, можно определить величину дополнительного

сопротивления, которое обеспечивает расширение пределов измерения вольтметра:

из них -
метод амперметра-вольтметра.
При измерении сопротивления по схеме, приведенной

справа:

Измеряемое сопротивление Rи отличается от действительного R:

т. е. внутреннее сопротивление амперметра RА вносит погрешность измерения. Поэтому такая схема применяется при измерении достаточно больших сопротивлений (R>>RА). Внутреннее сопротивление амперметра должно быть не менее чем на два порядка ниже измеряемого.

схему:
В этом случае неизвестное сопротивление можно определить:
Эта схема используется,

когда измеряемое сопротивление не менее чем на два порядка ниже внутреннего сопротивления вольтметра.
Непосредственно сопротивление измеряют омметром, который имеет набор дополнительных резисторов и источник питания. Прибор работает по принципу измерения тока при постоянной ЭДС. Шкала градуируется в единицах сопротивления. Омметры имеют большую погрешность (класс точности 2,5) и неравномерную (обратную) шкалу.

когда
Измерение параметров электрической цепи
То есть неизвестное сопротивление можно определить

как

емкости.
Измеряемая емкость определяется из условия равновесия моста:

проводят по схеме
Из условий равновесия моста:
Мосты переменного тока

имеют много диапазонов измерения и класс точности до 0,01

индуктивности.
Из условия равновесия моста определяют:

основы электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю.

Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.: Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники /под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.: Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.