电工仪表及测量 教学课件 ppt 作者 周启龙 3第三章 电磁系仪表

第三章 电磁系仪表 第一节 电磁系仪表的结构和工作原理 一、吸引型电磁系仪表的结构和工作原理 二、排斥型电磁系仪表的结构和工作原理 三、电磁式仪表的刻度特性 四、电磁系仪表的技术性能 第二节 电磁系仪表的误差及防御措施 一、外磁场误差 二、电磁系仪表的磁滞误差 三、电磁系仪表的频率误差 四、 电磁系仪表的特点,第三节 电磁系电流表和电压表 一、电磁系电流表 二、电磁系电压表 第四节 电磁系仪表的常见故障及其消除方法 思考题,第三章 电磁系仪表 要对交流电进行测量，必须克服磁电系仪表在交流电作用下，转动力矩的大小和方向周期性地改变因而无法读数的矛盾。为了解决这个矛盾，人们采用了很多方法，归纳起来，可以分为两个方面：一个方面是从测量电路入手，即将被测交流电量通过某一“变换器”交换成磁电系测量机构可以测量的直流电量，如万用表中所介绍的测量交流电压的整流式仪表的电路就属于这种类型；另一方面是从改变测量机构入手，即采用和磁电系仪表结构不同的新的测量机构，使其转动力矩的平均值能反映出交流电流（或电压）的大小，电磁系仪表属于这类型的仪表。电磁系仪表是测量交流电压与交流电流的最常用的一种仪表，它具有结构简单、过载能力强、造价低廉以及交、直流两用等一系列优点，在实验室和工程仪表中应用十分广泛。特别是开关板式交流电流表和电压表，一般都采用电磁系仪表。本章将介绍电磁系仪表的结构、工作原理和技术特性，并简单介绍电磁系仪表的常见故障及其消除方法。 第一节 电磁系仪表的结构和工作原理 电磁系仪表的结构形式最常见的一般有两种：一种为吸引型（又称吸入型或扁线圈外置式）结构；另一种为排斥型（又称推斥型或圆线圈内置式）结构。 一、吸引型电磁系仪表的结构和工作原理 吸引型电磁系仪表的结构如图31所示。 吸引型电磁系仪表由固定线圈1和偏心地装在转动轴上的铁片2所 组成，它的转动部分除铁片2外，还有指针3，磁感应阻尼器的扇型铝 片4及产生反作用力矩的游丝5。铝片4可以在作阻尼用的永久磁铁6的 空隙中转动。为了防止线圈1受到永久磁铁6的影响，在永久磁铁前加 一块钢质的磁屏，如图31中7所示。 吸引型的电磁系仪表的工作原理如图32所示。 当电流通过线圈时，在线圈的附近就有磁场存在（磁场的方向可 由右螺旋定则确定），在线圈的两端就呈现磁性，使可动铁片被磁化， 如图32（a），结果对铁片产生吸引力，从而产生转动力矩，使指针 发生偏转。当转动力矩与游丝产生的反作用力矩相平衡时，指针便稳定 在某一位置，从而指示出被测电流（或电压）的数值来。,图31 吸引型电磁系仪表的结构 1固定线圈；2动铁片；3指针；4扇型铝片；5游丝；6永久磁铁；7磁屏,由此可见，吸引型电磁系仪表是利用通有电流线圈的磁场对铁片的吸引力来产生转动力矩。当线圈中的电流方向改变时，线圈所产生的磁场的极性，被磁化的铁片的极性也随着改变，如图32（b），因此它们之间的作用力仍然是吸引的，即活动部分转动力矩的方向仍保持原来的方向，所以指针偏转的方向也不会改变。可见，这种吸引型的电磁系仪表可以应用在交流电路中。 电磁系仪表的阻尼器通常有“磁感应阻尼器”和“空气阻尼器”两种，这里我们先介绍磁感应阻尼器。图33（a）说明了“磁感应阻尼器”的原理。当金属片在作为阻尼用的永久磁铁的气隙中运动切割磁力线时，我们可以将金属片想象分为许多金属细丝，运用电磁感应定律（或右手定则）可以判断出：当这些金属细丝切割磁力线B时，在金属片中将有感应电流 产生，感应电流 的方向如图33,图32 吸引型电磁系仪表的工作原理,图33 磁感应阻尼器 (a)磁感应阻尼器的工作原理 (b)磁感应阻尼器的一种结构,（a）中的虚线所示。而这感应电流 与永久磁铁的磁场又相互作用，由此产生电磁力 ，其方向可根据左手定则加以判断。从图33（a）可知电磁力 的方向刚好是和金属片运动方向相反，因此起到了阻尼作用。 在图31的吸引型的电磁系仪表的结构中，当铁片2转动时，通过转轴，使铝片4也在永久磁铁6的空隙中转动，由于铝片切割永久磁铁的磁力线，而在铝片中产生了涡流，这涡流和永久磁铁的磁场相互作用便产生阻碍铝片运动的阻尼力矩。磁感应阻尼器也可以做成其它不同的型式，图33（b）就是它的结构的一种，但其基本原理是类似的。,图34采用空气阻尼器的吸引型电磁系仪表的结构图，其阻尼作用是由与转轴相连的活塞4在小室中移动产生的。 二、排斥型电磁系仪表的结构和工作原理 排斥型电磁系仪表的结构如图35所示。 它的固定部分包括固定线圈1和线圈内侧的固定铁片2，可动部分包括固定在转轴上的可动铁片3、游丝4和指针5，图中的6为一固定在轴上的空气阻尼器的翼片，它放置在不完全封闭的扇形阻尼箱内。当指针在平衡位置摆动时，翼片也随着在阻尼箱内摆动，由于箱内空气对翼片的摆动起阻碍作用，使摆动很快地停止下来。,图34 吸引型空气阻尼器式电磁系仪表 1固定线圈；2可动铁片；3小室；4活塞 ；5螺旋弹簧；6游丝；7指针,当固定线圈通过电流时，电流的磁场使得固定铁片2和可动铁片3同时磁化，这两个铁片的同一侧是同性的磁极，如图36（a）所示。同性磁极间相互排斥，使可动部分转动，当转动力矩与游丝产生的反作用力矩相等时，指针就取得了这一平衡位置，从而指出被测量的数值来。当通过固定线圈的电流方向改变时 ，则它所建立的磁场方向也随着同时改变，如图36（b）所示，因此两个铁片仍然互相排斥，转动力矩的方向保持不变。也就说，仪表可动部分的偏转方向不随电流方向的改变而改变，因此它同样可以应用于交流电路的测量。,图36 排斥型电磁系仪表中铁片的磁化情况,图35 排斥型电磁系仪表的结构 1固定线圈；2线圈内侧的固定铁片；3可动铁片； 4游丝； 5指针；6空气阻尼器的翼片,三、电磁式仪表的刻度特性 不论是吸引型还是排斥型的电磁式仪表，当通过固定线圈的电流增大时，作用于可动部分的转动力矩会增大。通过数学分析可以证明，当直流电流通过固定线圈时，电磁系测量机构的转动力矩M是与电流I的平方有关的。即： （式3-1） 式中 是固定线圈的安匝数， 是个系数，但它不是一个常数，而是与活动部分所处位置，即与有关，并决定于线圈、铁片的形状、大小和材料等因素。 为什么磁电系仪表的转动力矩是与被测电流I的一次方有关，而电磁系仪表则是与电流I的平方有关呢？这是由于前者的磁场是由永久磁铁产生的，是恒定的，所以由电磁力公式 便可以明显地看出F 与I的一次方成正比例。而电磁系仪表的磁场则是由被测电流I通过固定线圈产生的，如果我们忽略铁磁物质的影响，则可以认为，当电流增大一倍时，空间各点的磁场的磁感应强度 也会增大一倍。以图31的吸引型电磁系仪表为例，我们不难想象，此时被磁化的铁片2的磁性也会相应增大（当然不一定是一倍）。因此可以相信，磁场与铁片之间相互作用的电磁力，便不应当是与电流I的一次方有关，而是与电流I的二次方有关了，对于图34的排斥型的电磁系仪表也可以用类似的方法进行推理。 为什么系数 不是一个常数，而是一个与活动部分偏转有关的变系呢？这是因为当铁片和线圈的相对位置改变时，磁场的分布也会改变，因此 不能保持恒定不变，而是一个与有关的变数。 下面先推导力矩表达式。 电磁系仪表的转动力矩是靠通以被测电流的线圈对铁片的吸引力产生的。下面分直流、交流两种情况讨论。 1)固定线圈通过直流电的情况 从电工理论可知，线圈的磁场能量为 （式32） 式中， 被测电流值； 线圈自感系数。 则线圈对铁片的吸引力造成的力矩为 （式33） 式中，是指针的偏转角，上式表明，在直流电流的作用下，测量机构所受的力矩与电流 的平方成正比；,2)在交流电流中，线圈磁场能量为 （式34） 式中， 为通过固定线圈的电流，有这个能量产生的力矩 为 （式35） 由于可动铁片的惯性，可动部分的偏转来不及跟着瞬时力矩变化，转动力矩决定于瞬时转矩在一个周期内的平均值。 式中， 是交流电流的有效值 ，上式可改写为 （式36） 可以看出，式（33）和式（36）形式完全一样，只是表达式中的 的意思有所不同，前者为直流电流，后者为交流电流的有效值。 下面再讨论偏转角与电流的关系： 电磁系仪表的反作用力矩由游丝或螺旋弹簧产生，反抗力矩为 （式37） 当反作用力矩与电磁能量产生的力矩平衡时，活动部分就停止转动，这时 ，有 （式38） 式中 ，由（38）式可知，电磁系仪表指针的偏转角与通过线圈的直流电流或交流电流有效值的平方成正比，所以标尺上的刻度是不均匀的。 如果 为常数，刻度具有平方率特征，即刻度前半部较密，而后半部较疏。 如果 不是常数，刻度与 的变化有关，如果适当选择铁片形状，调节铁片与线圈的相对位置，使被测电流较小时， 较大，而在被测电流大较的时， 较小，刚好能补偿平方率的前密后疏缺点，使刻度比较均匀。如吸引型电磁系仪表采用扇形铁片，排斥型电磁系仪表采用梯形铁片就是为了解决刻度不均匀的问题。,值得指出，上述讨论对非正弦交流的情况同样适用。因此电磁系仪表能用于非正弦交流电路中进行测量。 综上所述，由于电磁系仪表的偏转角是与被测电流I的平方成比例，其刻度特性是不均匀的，标度尺的刻度前松后紧，以致使其前面部分读数很困难。为了尽可能地标度尺的刻度能够均匀一些，仪表制造厂家采用了许多不同的设计方案，例如改变铁片的形状以及综合采用“吸引”和“排斥”两种型式等等，都可以收到一定效果。 四、电磁系仪表的技术性能 1.使用范围 电磁系仪表既可用于测量直流，也可用于测量交流。因为可动铁片受力方向与线圈电流方向无关，线圈电流方向改变时，线圈磁极性和铁心磁极性同时改变而保持受力方向不变，这是电磁系仪表特点之一。但是，还应该指出的是，电磁系仪表的可动铁片在直流磁化下，会产生磁滞误差，同一个被测量，在测量过程中会出现升降变差。用于交流时，由于涡流效应，其示值略小于直流，所以，电磁系仪表通常不做成交直流两用。 2.电磁系仪表的主要技术特性有 1）仪表结构简单，过载能力大，因为电磁系仪表的活动部分不通过电流。 2）电磁系仪表结构中的铁磁物质(铁片)存在着磁滞现象，会导致一定的误差。 3）电磁系仪表是由固定线圈通过电流建立磁场的，若磁场太弱，则仪表的转动力矩也会很小，无法使得活动部分发生偏转，因此这种仪表用以建立磁场的线圈的安匝数需达到一定的要求，所以使得它的灵敏度较磁电系仪表的灵敏度要低得多。当用作电流表时，由于要保证一定的安匝数，线圈匝数不能太少，使得内阻相应较大，当用作电压表时，由于要保证线圈通过一定大小的电流，其相应的附加电阻不能太大，从而使得内阻又显得过小。现在国产的电磁系电流表内部压降约从几十到几百毫伏，电压表内阻每伏几十欧到百余欧。 4）电磁系仪表的本身磁场比较弱，外磁场对测量精度影响较大，即使采取了防御外磁场的措施，其受外磁场的影响还远较磁电系仪表严重。 5）电磁系电压表感抗较大，不适宜用于高频电路的测量中。 第二节 电磁系仪表的误差及防御措施 一、外磁场误差 电磁系仪表的磁场是由固定载流线圈所建立的，整个磁路系统几乎没有铁磁材料，电磁系仪表线圈磁场的工作气隙大，磁阻大，因此仪表本身磁场相对比较弱，外磁场对测量结果的影响比较明显，成了附加误差的主要来源，仅是地磁（即由地心磁极在地球周围空间形成的磁场）的影响，就可以造成1%的误差，这种误差叫做外磁场误差。为了防御外磁场的影响，通常采用“磁屏蔽”或无定位结构的方法，来避免这种误差。,1.磁屏蔽 磁屏蔽就是将测量机构置于用硅钢片做成的圆筒形屏蔽罩里面。由于屏蔽罩的导磁率比空气要高得多，外来磁场的磁通就将沿着屏蔽通过，只有很少部分进入到屏蔽罩内部的空间。为了更好地进行屏蔽，在准确度较高的仪表中往往采用双层屏蔽如图37，这是因为用两层厚度为h的屏蔽罩比用厚度为2 h的屏蔽罩的效果要好得多。有了磁屏蔽以后由于屏蔽中的涡流和磁滞效应，将引起附加误差，采用性能