4. Активная мощность, выделяемая в преобразователе, равна

или учитывая, что / = WZ и пренебрегая при расчете Z сопротив­лением постоянному току R_0y получим то же выражение в несколько ином виде:

При заданном напряжении на обмотке преобразователя или токе через нее число витков обмотки определяется однозначно. Однако в ряде случаев, в особенности для преобразователей неэлектриче­ских величин, напряжение питания можно выбирать произвольно, используя трансформатор. В этом случае число витков выбирается по требуемому сопротивлению преобразователя Z ^ со&^,2/Z_M. Если

преобразователь работает с усилителем, имеющим большое входное сопротивление, число витков берется возможно большим. При необ­ходимости получения максимальной выходной мощности нужно выполнить условие согласования сопротивления преобразователя с последующей измерительной цепью и отсюда найти число витков (см. гл. 3). При выборе числа витков в любом случае нужно кроме вышесказанного иметь в виду следующее: напряжение питания по тех­нике безопасности не должно превышать 200—300 В, диаметр про­вода по технологическим соображениям нежелательно брать слиш­ком малым и при большом числе витков {w > 100) диаметр выбира­ется не менее 0,07 мм.

Выбор частоты источника питания. При измерении динамиче­ских величин частота источника питания должна быть больше ча­

стоты измеряемого процесса, чтобы измеряемая величина воспроиз­водилась без заметных искажений. Если же частота измеряемого процесса невелика, то можно питать преобразователь от сети перемен­ного тока частоты 50 Гц. Однако, как видно из приведенных выше формул, повышение частоты при заданной активной мощности, а также при заданных МДС или магнитном потоке позволяет повысить на­пряжение питания преобразователя. Повышение напряжения пита­ния позволяет увеличить выходной сигнал преобразователя. Однако увеличение выходного сигнала будет пропорционально повышению напряжения питания лишь до тех пор, пока при возрастании ча­стоты не происходит резкого возрастания магнитного сопротивле­ния и магнитных потерь в магнитопроводе из-за поверхностного эф­фекта. Возрастание магнитного сопротивления ферромагнитных участ­ков приводит, с одной стороны, к уменьшению относительного изме­нения полного магнитного сопротивления под действием измеряе­мой величины и, с другой, как видно из приведенных выше фор­мул, — к ограничению напряжения питания. Поэтому при исполь­зовании магнитопроводов из сплошного материала не рекомендуется выбирать частоту выше 100—200 Гц. При использовании сердечника из листового материала можно увеличить частоту питания до 1 — 10 кГц, а при использовании ферритовых сердечников — до 100— 300 кГц.

точника МДС, т. е. магнита, сравнимо по значению с соп­ротивлениями внешней цепи и зависит от проходящего че­рез магнит потока, т. е. оно нелинейно. Зависимость по­тока через магнит и магнит­ную цепь от МДС, падающей на внутреннем сопротивлении магнита (F/ — <&R_iiA) и во внешней . магнитной цепи (Лшеп.п== внешп), показана .на рис. 8-11, а. При корот­ком замыкании магнита (Я.-™ = 0) вся МДС F_M = = HJ.,, где Н_с — коэрцитив­ная сила; /_м — длина магни­та, падает на внутреннем со­противлении магнита , и по­ток магнита максимален и равен Ф_г = B,S_Mt т. е. остаточной ин­дукции материала магнита В_г, умноженной на площадь магнита S_M.

Если внешняя цепь имеет конечное сопро­тивление, то координаты точки Ь на кривой определяются отношением

^V-^внешн 1/^м. внеши ⁼ ^м. внешп.

Для того чтобы абстрагироваться от раз­меров конкретного магнита, при расчетах используются кривые магнитных материалов В = f (И). Для этих кривых положение точ­ки а' (рис. 8-11, б) определяется отношением BJH_U = <J„. внешн IJS_M, поток магнита и его МДС рассчитываются как Ф_м = B_MS_M и f_M= = Я_м/_м. Кривые некоторых магнитных мате­риалов приведены на рис. 8-12.

Рис. 8-13

В качестве примера приведен расчет индукции в зазоре магнитиой системы (рис. 8-13), если известно, что магнит выполнен нз материала ЮНДК24, имеет диаметр D_M= 15 мм и длину /_м= 15 мм, длину зазора 6 = 1,2 мм, площадь зазора = 400 мм², проводимость за­зора G5 = 4,2- Ю"⁷ Гн, проводимость путей утечек G_yT = 1,0-10~⁷ Гн; сопротивле­нием стальных участков магнитопровода можно пренебречь.

Выбор материала и габаритов постоянных магнитов. Расчет цепей с постоянными магнитами затрудняется тем обстоятельством, что внутреннее сопротивление ис-

1 Тл -.1,3 4,2- -1,1. 11,0

Рис. 8-12

kA/N 120

Полная проводимость внешней цепи составляет G„ _ВНешн = G& + G_yT = 5,2 X X Ю~7 Гн. Отношение

15 - Ю-з

Тл

А/м '

^- = 0,039-10-3

BJH_M = G_M

(п ■ 15²/4) 10

hUS_m-5,2.10-7

Прямую, соответствующую полученному отношению В! И, удобно провести на рис 8-12 через точку с координатами В = 0,78 Тл, Н ~ 20 кА/м. Точка а пересе-

чения полученной прямой с кривой для материала ЮИДК24 определит индукцию

я • 15²

в магните как £_м = 1,07 Тл. Поток магнита Ф_м = £_WS_M = 1,07 —— 10~⁶ = 189 мкВб.

Часть потока идет через сопротивление утечки, поэтому поток через рабочий зазор составляет

^{Фб = Фм = 189} J^flfi ^{= 153 мкВб}"

Индукция в зазоре

I 1 п-6

Тл.

При расчете постоянных магнитов, как правило, требуется по заданной проводимости внешней цепи выбрать материал и размеры магнита так, чтобы обеспечить в зазоре требуемую индукцию. В част­ности, в рассмотренном примере, как видно из рис. 8-12, индукция в материале магнита и соответственно в зазоре была бы выше, если бы магнит был выполнен из материала ЮНДК 25БА, и ниже — для материала ЮНДК 35Т5БА.

Кривая размагничивания каждого из материалов имеет некоторую экстремальную точку (эти точки на кривых рис. 8-12 помечены круж­ками) с координатами B_d и H_dj характерную тем, что для нее произ­ведение ВН максимально. В измерительных преобразователях раз­меры- магнита выбираются так, чтобы обеспечивалась индукция в маг­ните B_M ^ B_d. При — B_d обеспечивается наименьший объем маг­нита при заданном материале и заданной энергии магнитного поля в зазоре. Однако от этого правила часто отступают, чтобы увеличить индукцию в зазоре и таким образом за счет увеличения объема маг­нита увеличить чувствительность преобразователя или улучшить какие- либо другие его технические характеристики. Повысить индукцию в зазоре при заданном материале магнита можно увеличением разме­ров магнита. Увеличение длины магнита всегда приводит к увеличе­нию индукции в магните, но это увеличение после того, как достигнута индукция В_м> B_dl не превышает 10—20%. Увеличение площади магнита при неизменной длине магнита приводит к уменьшению индукции в магните. Но пока рабочая точка находится на плоской части кривой, поток магнита Ф_м = B_MS_M все же возрастает, так как относительное уменьшение индукции меньше, чем относительное уве­личение площади, и, следовательно, возрастает индукция в зазоре.

В процессе проектирования магнитной системы при отсутствии прототипа и соответствующего опыта проектант испытывает затруднения, так как размеры маг­нитной системы в известной степени обусловлены неизвестными в начале расчета размерами магнита. Это приводит к необходимости просчитывать много вариантов. Для того чтобы сократить объем работы, можно рекомёнДовать методику приближен­ного расчета, показанную на следующем примере.

Требуется рассчитать магнитную систему преобразователя, показанного на рис. 8-13, при условии, что длина зазора 8—1,5 мм, диаметр входящей в него об­мотки = 25 мм и ширина обмотки h = 8 мм. Индукция в зазоре должна быть не менее = 0,6 Тл.

При первом приближенном расчете можно пренебречь сопротивлением сталь­ных участков и считать, что все проводимости путей утечек включены параллельно аазору и полная проводимость утечки G_yx = kG§. В правильно сконструированной

магнитной системе G_yT = (0,25 -f- 0,5) G&. Индукция в зазоре Bp, = Фгде Ф§ = = O_mG₆/(G₆ + G_yT) — поток в зазоре и S& — площадь зазора.

Учитывая,, что Ф_н — B_MS_M и G_yr — kG&, можно определить соотношение, свя-

S 1

зывающее индукцию в зазоре и индукцию в магните: В* = В_м - -- .

l-f-я

Величина B_tA определяется кривой магнитного материала и соотношением

Вм _п

JT *

(l+fe)?_M

■G₆

^л* м

Определим по заданным размерам возможное значение SJS&. Из рис. 8-13 оче­видно, что D_M меньше Dg на а миллиметров. Таким образом, SJS$ = n

_ . при а = 2 мм 5_M/S₆= -|Ц₇.

Примем k = 0,3. Тогда В_м- 0,7/1,3.

Чтобы обеспечить ZJg > 0,6 Тл, должно выполняться условие Б_м 0,6-1,3/0,7 ^ 1,1 Тл. Из кривых магнитных материалов (рис. 8-12) видно, что в этом случае лучше использовать материал ЮИДК 25БА, причем при индукциях в магните выше 1,1 Тл, как видно из кривой для этого материала, отношение В_ы/Н_м ^ 1,1/(45-10³) = « 2,4-10-5.

Таким образом, можно сказать, что длина магнита должна быть выбрана так,

Sfr I

чтобы удовлетворялось условие ~~ ^ 2,4 • 10-&. Из этого соотношения

•Ьи ⁰

: 17 ММ.

кА/м 500 450 400 350 300 250 200 150 100

Рис. 8-14

находим длину магнита:

1,3

4л • Ю^-7 -—у- ~ ^ 2,4 • т.е./,

Теперь можно составить схему магнитной системы и произвести ее точный рас­чет, учитывая сопротивление стальных участков и проводимости отдельных путей утечек. После такого расчета или в процессе его должны быть соответствующим об­разом скорректированы размеры магнитной системы.

Свойства магнитных материалов. В качестве материалов постоян­ных магнитов в настоящее время используются литые сплавы, основ­ными компонентами кото­рых являются железо, ни­кель и кобальт; порошко­вые материалы с наполни­телями в виде пластмасс, ферриты с добавками бария или кобальта и сплавы ко­бальта с добавками редко­земельных элементов (ин­терметалл иды). В измери­тельных преобразователях используются в основном магниты первой группы благодаря их высокоста­бильным свойствам. Фер- ритовые магниты и маг­ниты на основе РЗМ (ред­коземельные металлы) имеют очень высокую коэрцитивную силу (рис. 8-14) и могут обеспечить относительно высокие индукции (0,2—0,6 Тл) при большом магнитном сопротивлении внешней цепи, т. е. в разомк­

нутых цепях и при малых габаритах магнитов, однако по стабильно­сти значительно уступают литым магнитам. Температурные коэффи­циенты индукции (ТКИ) составляют в области температур 20—100 °С

примерно 0,002 К"¹ для ферритов и 0,0004 К"¹ для сплавов на ос­нове РЗМ.

ТКИ некоторых литых материа­лов в зависимости от температуры, полученные Т. И. Булыгиной и В. В, Сергеевым, приведены на рис. 8-15. Положение на темпера­турной оси области, в которой ТКИ — 0, зависит от выбора рабо­чей точки магнита. Рабочие точки магнитов, результаты исследования которых приведены на рис. 8-15, соответствуют точкам В_ы = B_d. При £_м > B_d кривые смещаются влево и наклон их меняется.

Таким образом, значение ТКИ для одного и того же магнита может быть разным в зависимости от степени его размагничивания, т. е. зависит от магнитной цепи, в которой магнит используется. Однако можно сказать, что наибольшей температурной стабильностью обладает материал ЮНДК 35Т5 и его температурный коэффициент в области 20—40 °С может быть даже равен нулю, другие материалы характеризуются значениями а_в = —(1 2) 10~⁴ К"⁴.

8-3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИНДУКТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Схема включения измерительных трансформаторов тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) в цепь показана на рис. 8-16.

Измерительные трансформаторы позволяют расширить пределы измерения приборов, уменьшая в определенном соотношении ток и напряжение, и, кроме того, отделить и хорошо изолировать цепи из­мерительных приборов от силовой цепи, что дает возможность зазем­лить вторичные цепи и предохранить от опасности обслуживающий их персонал. Первичная цепь ИТН включается через предохранители, чтобы при неисправности трансформатора он не оказался причиной аварии. Предохранители, установленные во вторичной цепи, служат для защиты трансформатора от замыканий в нагрузке. Вторичный ток ИТТ равен 5 А, для специальных целей выпускаются трансформа­торы на 1 и 2 А, вторичное напряжение ИТН может быть 100, 100/1^3 и 150 В.

Точность измерительного трансформатора характеризуется двумя величинами: погрешностью коэффициента трансформации, определяю­щей отличие действительных вторичных токов и напряжений от номи-

Нальных, V/ = (/_иом — /)//_ном и = (£У_ном — U)/U_mM и угловой погрешностью ф/ или ф^, определяющей фазовый сдвиг между векто­рами токов или напряжений в первичной и вторичной об­мотках. Угловая погрешность должна учитываться при вклю­чении во вторичную цепь фа- зочувствительных приборов, например ваттметра, так как их показания, в частности ваттметра Р' = U₂I₂ cos [ф + + (фи + Ф/)1» зависят от ал­гебраической суммы (ф£/ + ф/). При включении фазочувстви- тельных приборов важно так­же не изменить направление одного из векторов на 180° неправильным включением обмоток, поэтому концы пер­вичных и вторичных обмоток трансформаторов маркируются, как показано на рис. 8-16.

По точности ИТТ и ИТН^ .подразделяются на несколько классов. Характеристики наиболее точных лабораторных измерительных транс­форматоров (ГОСТ 23624—79 и ГОСТ 23625—79) приведены в каче­стве примера в табл. 8-1,