Николай Николаевич Лебедев
Семен Савельевич Леви
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
Учебное пособие для учащихся строительных и монтажных специальностей техникумов. Москва, «Высшая школа», 1974.
В книге излагаются основные сведения по электротехнике, по устройству электроизмерительных приборов, электрических машин и трансформаторов; приводятся краткие сведения по электронике: электровакуумным, ионным и полупроводниковым приборам и аппаратам; освещаются вопросы электропривода строительных машин, устройства электрического освещения и электрических сетей на строительных площадках.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
§ 6.1. Общие сведения
Электротехнические измерения в настоящее время представляют собой целую отрасль электротехники. Промышленностью выпускаются разнообразные электроизмерительные приборы от самых простых до весьма сложных. Соответственно существуют многочисленные схемы измерений различных электротехнических величин.
Электроизмерительные приборы подразделяют на стационарные щитовые, устанавливаемые на постоянном месте на щитах и щитках, и переносные, которые могут быть, в свою очередь, лабораторными приборами, обладающими высокой точностью, и обычными техническими. Кроме обычных показывающих приборов, которые указывают то или иное измерение на данный момент времени (обычно стрелкой на шкале прибора), существуют самопишущие измерительные приборы, записывающие непрерывно на движущейся ленте свои показания. По степени точности показаний электроизмерительные приборы подразделяют на 8 классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Эти цифры показывают величину максимальной погрешности в процентах, которая возможна у прибора данного класса. Например, погрешность показаний амперметра класса 1,5 не превышает ± 1,5%. Щитовые приборы выпускают в основном от 1 до 2,5 классов точности.
По принципу действия электроизмерительные приборы могут быть различных систем. Наиболее распространенными являются системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, ферродинамическая и индукционная. Система, по которой устроен данный прибор, обозначается на его лицевой стороне.
В настоящей главе рассказано о принципиальном устройстве и применении наиболее распространенных электроизмерительных приборов, с которыми сталкивается техник-монтажник и строитель в своей практической работе на стройке или на предприятиях строительной индустрии.
К таким стационарным щитовым приборам относятся в первую очередь приборы для измерения напряжения и тока — вольтметры и амперметры; приборы для измерения мощности, развиваемой током, — ваттметры и приборы, учитывающие расход электроэнергии, — электрические счетчики. Из переносных приборов в этой главе разбираются приборы, имеющие существенное значение для эксплуатации электроустановок на строительстве: мегомметры и измерители заземления.
§ 6.2. Измерение тока и напряжения
Рассмотрим устройство амперметров и вольтметров магнитоэлектрической и электромагнитной системы.
Приборы магнитоэлектрической системы применяют только в цепях постоянного тока. Для использования приборов в цепях переменного тока необходимо значительное усложнение их конструкции.
Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии между постоянным магнитным полем и проводами обмотки, по которой протекает постоянный электрический ток (рис. 6.1). В магнитном поле постоянного магнита 1 вращается на оси алюминиевый цилиндр 2 с намотанной на нем катушкой, по которой протекает измеряемый ток. Между магнитным полем магнита и электрическим током в катушке возникают силы механического взаимодействия, под влиянием которых цилиндр будет поворачиваться вокруг оси. Вращение цилиндра тормозится пружиной. Чем больше ток в катушке, тем больше сила взаимодействия его с магнитным полем и тем на больший угол поворачивается цилиндр и вместе с ним стрелка прибора, показывающая величину тока на шкале прибора.
Рис. 6.1. Принципиальное устройство магнитоэлектрического амперметра
Рис. 6.2. Принципиальное устройство электромагнитного амперметра
Для измерения тока и напряжения в цепях переменного и постоянного тока чаще всего применяют приборы электромагнитной системы. Принцип действия их основан на взаимодействии между магнитным полем, создаваемым измеряемым током, и подвижным ферромагнитным сердечником. На рис. 6.2 показано принципиальное устройство электромагнитного амперметра. По неподвижной катушке 1 проходит измеряемый электрический ток. Магнитное поле, создаваемое током, действует на стальную пластинку 2, втягивая ее внутрь катушки. Движению пластинки противодействует пружина (не показанная на рисунке). Чем больше ток в катушке, тем больше втягивается в нее пластинка и тем больше отклоняется по шкале связанная с ней стрелка, показывая тем самым величину тока, проходящего по катушке. Для уменьшения колебаний стрелки в приборе имеется успокоитель 3 в виде трубочки с поршнем 4, связанным с пластинкой.
Принципиальное устройство вольтметров и амперметров одинаково. Однако в конструкции этих приборов имеется некоторое различие, вызванное тем, что амперметр включают в цепь тока последовательно, а вольтметр — параллельно (см. рис. 6.3). Поэтому амперметр должен обладать как можно меньшим сопротивлением во избежание излишнего падения напряжения в нем; вольтметр же, наоборот, должен обладать значительным сопротивлением для уменьшения протекающего по нему тока. Ввиду этого вольтметры снабжены добавочным большим проволочным сопротивлением, изготовленным из специальных сплавов (константан и др.).
Рис. 6.3. Измерение тока и напряжения в трехфазной цепи:
а — в трехпроводной цепи; б-в четырехпроводной цепи
По существу, вольтметр является таким же прибором, как и амперметр, но его шкала отградуирована не на амперы, а на вольты, и его стрелка показывает на шкале величину падения напряжения в приборе, равную величине тока, помноженной на сопротивление вольтметра. Ток, протекающий через вольтметр, пропорционален по закону Ома приложенному к нему измеряемому напряжению, так как его сопротивление остается постоянным.
При измерении тока и напряжения в трехфазных сетях обычно соблюдают следующие правила. При равномерной нагрузке фаз, например, в цепях электродвигателей, амперметр включают только в одну из фаз (рис. 6.3, а); при неравномерной же нагрузке (например, четырех проводные сети с осветительной нагрузкой) амперметры включают во все три фазы. Вольтметр, как правило, включают на линейное напряжение (между двумя линейными проводами). В необходимых случаях может быть измерено и фазное напряжение, для чего вольтметр включают между линейным и нулевым проводом (рис. 6.3, б).
§ 6.3. Измерение мощности
Для измерения активной мощности в цепях переменного тока обычно применяют ваттметры электродинамической и ферродинамической системы.
Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии токов, протекающих по проводникам; проводники с одинаково направленными токами притягиваются один к другому, а с противоположно направленными токами отталкиваются.
На рис. 6.4 показано принципиальное устройство электродинамического ваттметра. В приборе имеются две катушки — неподвижная а и вращающаяся б. С вращающейся катушкой связана стрелка прибора.
При включении прибора под напряжение, под влиянием взаимодействия между протекающими в катушках токами, подвижная катушка стремится повернуться и остановиться в таком положении, при котором направление ее магнитного поля совпало бы с направлением поля неподвижной катушки. Вращение катушки б задерживается спиральными пружинами, через которые подводится ток к катушке.
Рис. 6.4. Принципиальное устройство электродинамического ваттметра
Рис. 6.5. Схема включения трехфазного ваттметра:
1 — токовая катушка; 2 — катушка напряжения
Создаваемый взаимодействием токов вращающий момент, поворачивающий катушку б, прямо пропорционален произведению токов, протекающих в катушках. Чем это произведение больше, тем на больший угол отклонится катушка б, а вместе с ней и стрелка прибора.
При измерении мощности токовую катушку а включают в цепь последовательно, как амперметр, а катушку напряжения б — параллельно, как вольтметр. Последовательно с катушкой б для ограничения протекающего через нее тока внутри прибора устраивается большое сопротивление. Вращающий момент, действующий при такой схеме включения прибора на подвижную катушку, а следовательно, и угол ее поворота будут пропорциональны произведению мгновенных значений тока и напряжения (так как величина тока в катушке б, включенной, как вольтметр, пропорциональна действующему напряжению). Произведение же мгновенных значений тока и напряжения равно мощности, развиваемой электрическим током.
Таким образом, угол поворота катушки б, а вместе с тем и отклонения стрелки прибора на шкале будут тем больше, чем больше измеряемая ваттметром электрическая мощность.
Для измерения мощности в цепях трехфазного тока выпускают трехфазные ваттметры, измеряющие общую мощность всех трех фаз. Такие ваттметры имеют две токовые катушки, в которых вращаются катушки напряжения. Включение трехфазного ваттметра в сеть схематически показано на рис. 6.5.
Рис. 6.6. Принципиальное устройство трехфазного ферродинамического ваттметра:
1 — подвижные катушки; 2 — неподвижные катушки
Ваттметры электродинамической системы могут применяться также и в цепях постоянного тока.
Принцип действия ферродинамических приборов тот же, что у электродинамических. Конструктивно они отличаются от приборов электродинамической системы наличием стального магнитопровода, на котором размещены катушки прибора. Наличие ферромагнитного сердечника усиливает магнитное поле прибора и увеличивает вращающий момент в нем. На рис. 6.6 показано устройство трехфазного ферродинамического ваттметра. Ваттметры этой системы широко применяют в качестве щитовых приборов в сетях трехфазного тока.
