В электрических цепях электропоезда амперметр и вольтметр являются основными измерительными приборами. Измерение тока может быть прямым и косвенным. В первом случае измеряемую цепь прерывают и в рассечку проводов последовательно с нагрузкой включают амперметр. Прибор в таком случае должен быть по возможности низкоомным, чтобы он не влиял на протекающий в цепи ток.
Полное отклонение стрелки амперметра соответствует максимальному измеряемому току, а, как известно, в силовой схеме токи тяговых двигателей достигают достаточно большой величины. Амперметр для непосредственного их измерения должен быть внушительных размеров. Чтобы измерять большие токи, т.е. расширить диапазон измерения, в действительности параллельно амперметру включают шунт, имеющий очень малое, но вполне определенное сопротивление. Тогда основной ток проходит через шунт, а в амперметр ответвляется небольшая часть тока (миллиамперы) соответственно его сопротивлению. Проследите по силовой схеме (см. рис. 4.1) включение амперметров A1, А2 и А3 с шунтами Шн1, Шн2, Шн3.
Подобный способ измерения тока называется косвенным, он заключается в измерении падения напряжения на сопротивлении (т.е. на шунте, играющем роль датчика тока), величина которого известна. Зная сопротивление шунта Rш, сопротивление амперметра RA по току IA, показываемому стрелкой прибора, можно вычислить ток измеряемой цепи 1:
Обозначив отношение измеряемого тока I к току амперметра IA через n (коэффициент шунтирования), получим
Сопротивление шунта для измерения тока I в n раз большего, чем ток амперметра IA, определяют так:
На практике шкалу амперметра градуируют для разных значений измеряемого тока, поэтому никаких вычислений не требуется.
В низковольтных амперметрах шунты, как правило, встроены в корпус прибора, к силовым амперметрам они подсоединяются специальными проводами. При измерениях в цепях переменного тока шунт непригоден, и амперметр подключают через трансформатор тока.
По принципу действия вольтметр не отличается от амперметра: по нему также протекает небольшой ток, вызывающий отклонение стрелки. Этот ток определяется измеряемым напряжением, поэтому шкала прибора отградуирована не в амперах, а в вольтах. Вольтметр подключают к двум точкам электрической цепи параллельно измеряемому участку, определяя разность потенциалов между ними. Вольтметр стараются изготовить с возможно более высоким сопротивлением. При измерениях в низковольтных пенях достаточно внутреннего сопротивления вольтметра, а если необходимо контролировать большое напряжение, то последовательно с прибором подключают добавочное сопротивление. На силовой схеме (см. рис. 4.1) вольтметр V2 включен последовательно с резистором R26, равным 1333 кОм. Он подсоединен к коллектору первого тягового двигателя (первая точка) и к “земле” (вторая точка). В цепи вольтметра (расположенного на пульте управления) для измерения напряжения контактной сети (см. рис. 4.9) основное падение напряжения также приходится на добавочный резистор R29, который находится в подвагонном ящике. На вольтметр приходится оставшаяся очень малая часть напряжения.
Тем не менее, вольтметр на электропоезде является высоковольтным аппаратом, и прикасаться к нему категорически запрещено. Поэтому на крышке пульта имеется блокировка безопасности, обеспечивающая опускание токоприемника при открывании пульта.
Если известны добавочное сопротивление Rдоб и сопротивление вольтметра Rv, то по показанию прибора Uv можно найти искомое напряжение U:
где отношение n=U/Uv=(Rv+ Rдоб)/Rv показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения вольтметра Uv.
Сопротивление добавочного резистора Rдоб, для измерения напряжения, в n раз большего напряжения вольтметра, определяется так:
Амперметры и вольтметры могут быть магнитоэлектрической или электромагнитной системы. Отличительной конструктивной особенностью прибора магнитоэлектрической системы является расположение подвижной прямоугольной катушки (рамки) 3 (рис. 6.4.) в однородном магнитном поле в кольцевом зазоре между полюсами постоянного магнита 1 и сердечником (якорем) 2. Катушка укреплена на оси, связанной со стрелкой прибора спиральными пружинами (растяжками) 5, играющими роль возвратного устройства и токопровода к катушке.
Рис. 6.4. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы: 1 — внешний магнит; 2 — сердечник; 3 — вращающаяся катушка (рамка); 4 — корректор нуля; 5 — спиральные пружины (выполняют функции возвратного устройства и подвода тока к рамке)
Внешний магнит 1 создает в воздушном зазоре сильное магнитное поле, и при прохождении тока по катушке 3 на ее проводники действуют электромагнитные силы, создающие вращающий момент. В результате катушка со стрелкой поворачивается на некоторый угол, пропорциональный измеряемому току.
Угол отклонения зависит от направления тока, проходящего по катушке. Поэтому при включении таких приборов обязательно должна соблюдаться полярность. Для цепей переменного тока приборы магнитоэлектрической системы непригодны, потому что не будет создаваться вращающий момент. Достоинства приборов — равномерная шкала и высокая точность показаний.
Измерительные механизмы электромагнитной системы просты и надежны, устойчивы к механическим и электрическим воздействиям, их можно использовать в сетях как постоянного, так и переменного тока. За счет подключения добавочных сопротивлений расширяют диапазон измерений. По сравнению с магнитоэлектрическими механизмами электромагнитные приборы являются более энергоемкими и применяются в основном в силовых цепях.
Магнитное поле в таких приборах создает катушка 1 (рис. 6.5) со стальным сердечником 3. находящимся в поле катушки. Сердечник установлен эксцентрически на оси со стрелкой и при прохождении тока намагничивается и втягивается в катушку. Одновременно поворачиваются ось и стрелка прибора, причем угол поворота подвижной части пропорционален квадрату тока, протекающего по катушке. Поэтому приборы электромагнитной системы имеют неравномерную (квадратичную) шкалу.
Рис. 6.5. Устройство электромагнитного измерительного механизма: 1 — катушка; 2 — спиральная пружина; 3 — сердечник; 4 — ось; 5 — демпферное устройство
В конструкцию измерительных механизмов входит возвратное устройство (успокоитель), которое в момент показания прибора уравновешивает подвижную систему. При отсутствии тока оно обеспечивает нулевое положение (нулевое показание) стрелки. Такой воздушный демпфер выполнен в виде камеры, внутри которой перемещается демпфирующий флажок. При передвижении подвижной части происходит торможение флажка, и колебания стрелки быстро затухают. (На рис. 6.5 колебания подвижной системы прибора устраняет успокоитель 5.)
Приборы электромагнитной системы, главным образом, применяют для измерения в цепях переменного тока.
