Masurari - dispozitivul electrodinamic si ferodinamic

Masurari - Dispozitivul electrodinamic si ferodinamic

Dispozitivul electrodinamic si ferodinamic
Cuplul activ al dispozitivelor electrodinamice si ferodinamice este produs de fortele electrodinamice care apar intre una sau mai multe bobine fixe si una sau mai multe bobine mobile parcurse de curenti. Dupa cum in circuitul magnetic al bobinelor nu se folosesc sau se folosesc piese feromagnetice, dispozitivele se numesc electrodinamice sau ferodinamice.
1 Dispozitive electrodinamice
Dispozitivul electrodinamic consta din (fig. 2.17):

- doua bobine fixe cilindrice, coaxiale, identice, inseriate, parcurse de acelasi curent ( bobina cu doua sectiuni );
- bobina mobila de forma rotunda sau dreptunghiulara fixata solidar pe axul dispus perpendicular pe axul bobinelor fixe. Bobina mobila este alimentata prin doua resoarte spirale, care creeaza si cuplul mecanic rezistent ;
- acul indicator solidar cu bobina mobila ;
- sistemul de amortizare pneumatic .
La trecerea curentilor continui I₁ si I₂ prin bobina fixa, respectiv cea mobila, fortele de interactiune care apar tind sa aduca bobina mobila in pozitia in care fluxul sau ar coincide cu cel al bobinei fixe. Cuplul activ este :

(2.26)

unde :

(2.27)

Cum doar inductivitatea mutuala depinde de deviatia  :

(2.28)

deci cuplul activ este functie de curentii prin bobine I₁ si I₂, respectiv de inclinatia lor relativa. La echilibru cu cuplul mecanic rezistent:

(2.29)

(2.30)

Dupa forma bobinelor, deci a spectrului campului magnetic, deosebim situatiile:
- campul uniform corespun-zator unor bobine cilindrice lungi (fig.2.18). Inductivitatea mutuala L₁₂ variaza cosinusoidal in raport cu pozitia bobinei:

(2.31)

(2.32)

 (2.33)

Pentru ampermetre si voltmetre se alege ₀  45 55
campul magnetic radial dat de sectiunile plane ale bobinei fixe si distantate convenabil (fig.2.19); liniile de camp taie normal cercul pe care se deplaseaza conductoarele bobinei. Pentru unghiul util de deplasare se poate considera :

(2.34)
 (2.35)
(2.36)

Curba  (fig. 2.20) pentru o apropiere optima a bobinelor (curba 1) ne indica M_a  constant intre 45  135 iar pentru doua pozitii diferite, M_a  constant.
In curent alternativ :

(2.37)

Sistemul mobil nu poate urmari frecvente mai mari cu un ordin de marime decat frecventa proprie (0,5-1 Hz), ca atare deplasarea are loc sub actiunea valorii medii a cuplului activ:

(2.38)

cu T perioada de variatie a cuplului activ instantaneu.

Proiect: Corpuri de iluminat pentru exterior de pus in beton sau pavej Proiect: Constructii sigure la cutremure - antecalculare statica a caselor din manta din beton pentru zonele seismice

Daca in cele doua bobine se introduc curenti diferiti ca valori efective si defazaj:
(2.39)
(2.40)
 (2.41)
(2.42)
Pentru dispozitivul in camp magnetic uniform :
(2.43)
Pentru dispozitivul in camp radial :
(2.44)
Expresiile de mai sus s-au obtinut in ipoteza dM_a/d =const. Practic se urmareste o astfel de forma a celor doua bobine incat variatia sa fie neliniara, incat sa compenseze neliniaritatea scarii patratice.
Aparatele electrodinamice sunt aparate de precizie ridicata (cele mai precise instrumente de c.a.), clasa 0,2 , dar de sensibilitate mai mica. Sunt folosite in c.c. si c.a. la frecventa industriala, ca ampermetre, voltmetre, wattmetre si contoare.
Erorile lor se datoreaza in primul rand campurilor magnetice exterioare, ceea ce impune ecranarea lor sau astaticizarea.
Logometrele electrodinamice au in bobina fixa un curent  si in bobinele fixate pe acelasi ax curentii ₁ si ₂. Se demonstreaza ca deviatia este proportionala cu raportul curentilor ₁ si ₂

2 Dispozitive ferodinamice

Dispozitivul ferodinamic (fig. 2.21) este similar celui electrodinamic avand insa circuitul magnetic al bobinei fixe format in cea mai mare parte din material feromagnetic (tole de transformator sau pulberi feromagnetice presate, pentru reducerea pierderilor prin histerezis si curenti turbionari). Bobina mobila se misca intr-un camp magnetic uniform si radial, ceea ce asigura o independenta a cuplului activ fata de unghiul de deviatie. In cele doua bobine, fixa si mobila, avand curentii continui ₁ si ₂, expresia cuplului activ este:

 (2.45)

unde:
N - nr. de spire al bobinei mobile;
A - aria activa;
B = K₂ I₁
K = NAK₁ - constanta constructiva
In c.a. sistemul mobil se deplaseaza sub actiunea cuplului activ mediu (considerand inductia B in faza cu curentul I₁ care o produce):

(2.46)

Dispozitivele ferodinamice sunt inferioare ca precizie celor electrodinamice (clasa 1 2,5). Au insa cuplu activ mult mai puternic (parti feromagnetice) si consum propriu mai redus. Sunt mai robuste constructiv, fiind utilizate cu precadere pentru aparate de c.c. de tablou (wattmetre), aparate destinate mediilor cu socuri si vibratii si pentru inregistratoare (cuplu puternic).
Simbolurile pentru aceste dispozitive, respectiv pentru varianta logometrica, se dau in fig. 2.22., a si b.

2.4.4. Dispozitivul electrostatic

Dispozitivul electrostatic (fig. 2.23 a) utilizeaza pentru deplasarea echipajului mobil fortele electrostatice de atractie care apar intre armaturile unui condensator electric, carora li se aplica o diferenta de potential. Aceste forte tind sa mareasca capacitatea si energia electrostatica inmagazinata in condensator. Simbolizarea lor este ca in fig. 2.22, b.
Energia inmagazinata in campul electrostatic este :

(2.47)

unde:
C este capacitatea condensatorului;
U - tensiunea aplicata placilor.
Variatia capacitatii se poate realiza in doua moduri: fie variind suprafata activa a armaturilor, fie variind distanta dintre ele.
In ambele cazuri, la aplicarea unei tensiuni intre armaturile fixe si mobile, acestea se incarca cu electricitate de semn contrar si se resping. In primul caz incarcarea duce la rotirea armaturii mobile in spatiul dintre armaturile fixe, cuplul rezistent fiind dat de arcuri spirale. In al doilea caz se produce o deplasare a placii mobile suspendata intre cele doua placi fixe, din care una o atrage, fiind incarcata cu sarcina de semn contrar, iar cealalta o respinge, fiind incarcata cu sarcina de acelasi semn; cuplul rezistent este in acest caz dat chiar de greutatea placii mobile. In ambele cazuri cuplul rezistent se aproximeaza prin relatia:

(2.48)
(2.49)
(2.50)

(2.51)

Dependenta de tensiunea aplicata fiind patratica, scara este neliniara. Pentru liniarizarea ei se cauta a se da placilor condensatorului o astfel de forma, incat variatia dC/d sa compenseze neliniaritatea.
Dispozitivul electrostatic functioneaza si la aplicarea unei tensiuni alternative, cuplul mediu fiind diferit de zero. Indicatia este proportionala cu patratul valorii efective a tensiunii aplicate.
Dispozitivele electrostatice pot fi utilizate in montaj:
- heterostatic, cand se folosesc trei potentiale de lucru;
- idiostatic, cu doua potentiale de lucru.
Proprietati:
- precizie: nu prea ridicata (1-1,5);
- sensibilitatea: scazuta, fortele electrostatice fiind mici, este cel mai putin sensibil dispozitiv;
- consum propriu foarte scazut, practic zero (rezistenta interna infinita, fiind dispozitivul cu cel mai scazut consum);
- supraincarcabilitate ridicata.
Se utilizeaza numai ca voltmetru, in special pentru masurarea tensiunilor inalte.
Perturbatiile cele mai importante sunt din cauza campurilor electrice exterioare, ca atare se procedeaza la ecranari.

2.4.5 Dispozitivul de inductie

Principiul de functionare a acestor dispozitive consta in interactiunea dintre fluxurile magnetice create de una sau mai multe bobine si curentii indusi de aceste fluxuri in sistemul mobil sau in anumite parti metalice ale acestuia. Sunt deci dispozitive de c.a., fiind bazate pe fenomenul de inductie. Simbolizarea se da in fig. 2.24.
Constructiv se realizeaza dispozitive cu un flux si cu mai multe fluxuri (dupa numarul de intersectii cu echipajul mobil).

Dispozitivul cu un flux (fig.2.25) functioneaza astfel: curentul _a produce fluxul _a care induce curentii turbionari _t in disc. Cuplul motor este produs de interactiunea dintre _a si _t, ambele dependente de _a, deci deviatia instrumentului va depinde de _a.
In cazul dispozitivelor cu mai multe fluxuri se produc mai multe interactiuni flux-curent turbionar indus, care determina cuplul motor rezultant. Fluxurile sunt decalate in timp si spatiu, putand produce un camp rezultant invartitor sau de fuga.
Deducerea expresiei cuplului motor se va face pentru un dispozitiv cu doua fluxuri ₁ si ₂ produse de curenti presupusi sinusoidali ₁ si ₂ decalati cu unghiul  , care alimenteaza bobinele B₁ si B₂ ale electromagnetilor 1 si 2 (fig.2.26,a si b). Fluxurile ₁ si ₂ in faza cu curentii i₁ si i₂ induc in disc t.e.m. e₁ si e₂ (decalate cu 90 in urma acestora), care produc curentii turbionari i₁ si i₂ in faza cu e₁ si e₂, presupunand discul nereactiv. Forta instantanee de interactiune intre fluxuri si curentii turbionari este de forma:

(2.52)

unde :
- K - constanta;
- i = _msin t
-  = _m sin( t- ),  fiind unghiul de decalaj dintre curent si flux.
Integrand forta instantanee si observand ca sensul acesteia nu se schimba la schimbarea simultana a sensului fluxului si curentului, se obtine forta medie:

(2.53)

Exista patru interactiuni posibile:

; ; ; ;

din care:

(2.54)

deoarece  = 90 .
Forta medie rezultanta este:

(2.55)
dar: (2.56)

Cuplul este:

(2.57)

unde f este frecventa de variatie a fluxului.
Se observa ca pentru crearea cuplului sunt necesare doua fluxuri decalate in timp si spatiu, iar pentru defazaj de 90 cuplul este maxim. Indicatiile depind de frecventa, deviatia la echilibru static fiind:

(2.58)

Dispozitivele cu inductie se pot folosi la masurarea curentului, montate in serie in circuit, iar bobinele in serie sau in paralel intre ele. Pentru a reduce consumul propriu, se impune ca bobinele sa fie realizate cu rezistenta ohmica cat mai mica. In ambele situatii de montaj a bobinelor, dependenta deviatiei e de tipul:

(2.59)

deci proportionala cu patratul valorii efective a curentului.
Erorile acestor dispozitive pot proveni din:
- variatiile de tensiune, determi-nand modificarea punctului de functionare pe curba de magnetizare a fierului;
- variatia frecventei, determi-nand variatia inductantelor bobinelor, a decalajului flux-curent, a valorii curentilor turbionari indusi;
- variatia temperaturii, influen-tand rezistenta echipajului mobil - (o variatie  t =10 conduce la o eroare de 1-2%).
Proprietati ale dispozitivului de inductie:
- clasa de precizie redusa;
- cuplu motor mare;
- rezistenta la suprasarcini;
- deviatie maxima 270 ;
- camp magnetic propriu puternic;
- scala neuniforma;
- erori.
Indicatia dispozitivului de inductie fiind proportionala cu produsul a doua marimi, fata de acesta scara va fi liniara.

Utilizarea tipurilor constructive descrise in constructia aparatelor de masura uzuale
Tipul magnetoelectric cu cuplu antagonist mecanic:
- galvanometru de c.c.;
- ampermetre de c.c.;
- voltmetre de c.c.;
- ampermetre de c.a. cu redresor;
- voltmetre de c.a. cu redresor;
- aparate electrice universale - ampermetre, voltmetre, ohmmetre si capacimetre, cu posibilitati de masura multiple.
Tipul magnetoelectric logometric:
- ohmmetre (cu 2 sau 3 bobine);
- frecventmetre (cu 2 bobine).
Tipul feromagnetic:
- ampermetre de c.c. si c.a.;
- voltmetre de c.c. si c.a..
Tipul electrodinamic:
- ampermetre de c.c. si c.a.;
- voltmetre de c.c. si c.a.;
- wattmetre de c.c. si c.a.;
- varmetre.
Tipul electrodinamic logometric:
- cosfimetre;
- frecventmetre;
Tipul electrostatic:
- voltmetre pentru tensiuni inalte (100  150kV);
- voltmetre de c.c. si c.a..
Tipul de inductie:
- contoare de energie activa, in c.a.;
- contoare de energie reactiva;
- ampermetre de c.a.;
- voltmetre de c.a.