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 $\cos \varphi$.

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, вкоторой производися измерение и некоторая зависимость показаний от частоты в сети.

См. также

• Фазометр
• Логометр

Литература

• Мансуров Н. Н., Попов В. С. Теоретическая электротехника. — изд. 9-е, исправленное. — М.—Л.: Издательство "Энергия", 1966. — 624 с.