Nguyên lý xây dựng và phương trình mô men của các thiết bị tĩnh điện

Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị tĩnh điện

Như tên gọi, các loại thiết bị tĩnh điện sử dụng trường điện tĩnh để tạo ra mô-men xoắn lệch. Các loại thiết bị này thường được sử dụng để đo lường điện áp cao nhưng trong một số trường hợp, chúng có thể được sử dụng để đo lường điện áp và công suất thấp hơn của mạch nhất định. Có hai cách mà lực tĩnh điện có thể tác động. Hai điều kiện có thể xảy ra được viết dưới đây,

Cấu tạo của các loại thiết bị tĩnh điện

1. Khi một trong hai bản cực được cố định và bản cực còn lại có thể di chuyển, các bản cực được sạc trái dấu để tạo ra lực hấp dẫn giữa chúng. Do lực hấp dẫn này, bản cực di chuyển sẽ dịch chuyển về phía bản cực cố định cho đến khi bản cực di chuyển lưu trữ năng lượng tĩnh điện tối đa.

2. Trong cách sắp xếp khác, có thể có lực hút hoặc đẩy hoặc cả hai, do sự quay của bản cực.

Phương trình lực và mô-men xoắn của các loại thiết bị tĩnh điện

Bây giờ, hãy đưa ra phương trình lực cho các loại thiết bị tĩnh điện tuyến tính. Hãy xem xét hai bản cực như được hiển thị trong sơ đồ dưới đây.

Bản cực A được sạc dương và bản cực B được sạc âm. Như đã đề cập ở trên, theo điều kiện có thể (a), chúng ta có chuyển động tuyến tính giữa các bản cực. Bản cực A được cố định và bản cực B có thể di chuyển. Giả sử tồn tại một lực F giữa hai bản cực ở trạng thái cân bằng khi lực tĩnh điện bằng với lực lò xo. Tại điểm này, năng lượng tĩnh điện được lưu trữ trong các bản cực là

Bây giờ, giả sử chúng ta tăng điện áp áp dụng lên một lượng dV, do đó bản cực B dịch chuyển về phía bản cực A một khoảng dx. Công được thực hiện chống lại lực lò xo do sự dịch chuyển của bản cực B là F.dx. Điện áp áp dụng liên quan đến dòng điện như sau

Từ giá trị dòng điện này, năng lượng đầu vào có thể được tính toán như sau

Từ đây, chúng ta có thể tính toán sự thay đổi trong năng lượng được lưu trữ và kết quả là

Bỏ qua các hạng mục cấp cao xuất hiện trong biểu thức. Bây giờ, áp dụng nguyên tắc bảo toàn năng lượng, chúng ta có năng lượng đầu vào vào hệ thống = tăng năng lượng được lưu trữ trong hệ thống + công cơ học được thực hiện bởi hệ thống. Từ đây, chúng ta có thể viết,

Từ phương trình trên, lực có thể được tính toán như sau

Bây giờ, hãy đưa ra phương trình lực và mô-men xoắn cho các loại thiết bị tĩnh điện quay. Sơ đồ được hiển thị dưới đây,

Để tìm biểu thức cho mô-men xoắn lệch trong trường hợp các loại thiết bị tĩnh điện quay, chỉ cần thay thế F trong phương trình (1) bằng Td và dx bằng dA. Giờ đây, viết lại phương trình đã được sửa đổi, chúng ta có mô-men xoắn lệch bằng

Bây giờ, ở trạng thái ổn định, mô-men xoắn kiểm soát được cho bởi biểu thức Tc = K × A. Độ lệch A có thể được viết là

Từ biểu thức này, chúng ta kết luận rằng độ lệch của con trỏ tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp cần đo, do đó thang đo sẽ không đồng đều. Bây giờ, hãy thảo luận về Quadrant electrometer. Thiết bị này thường được sử dụng để đo điện áp từ 100V đến 20 kilovolt. Lại nữa, mô-men xoắn lệch thu được trong Quadrant electrometer tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp áp dụng; một lợi ích của điều này là thiết bị này có thể được sử dụng để đo cả điện áp AC và DC. Một lợi ích khi sử dụng các loại thiết bị tĩnh điện làm voltmeters là chúng ta có thể mở rộng phạm vi điện áp cần đo. Hiện có hai cách để mở rộng phạm vi của thiết bị này. Chúng ta sẽ thảo luận từng cách một.

(a) Bằng cách sử dụng điện trở phân chia điện áp: Dưới đây là sơ đồ mạch của cấu hình này.

Điện áp mà chúng ta muốn đo được áp dụng trên tổng điện trở r và tụ điện tĩnh điện được kết nối trên phần của tổng điện trở được đánh dấu là r. Giờ đây, giả sử điện áp áp dụng là DC, thì chúng ta nên đưa ra giả định rằng tụ điện được kết nối có điện trở rò vô hạn. Trong trường hợp này, hệ số nhân được cho bởi tỷ lệ điện trở r/R. Việc vận hành AC trên mạch này cũng có thể được phân tích dễ dàng, và trong trường hợp vận hành AC, hệ số nhân bằng r/R.
(b) Bằng cách sử dụng kỹ thuật nhân tụ: Chúng ta có thể tăng phạm vi điện áp cần đo bằng cách đặt một loạt tụ điện như được hiển thị trong mạch dưới đây.

Hãy đưa ra biểu thức cho hệ số nhân cho sơ đồ mạch 1. Hãy đánh dấu điện dung của voltmeter là C1 và tụ điện串联电容为C2，如给定电路图所示。现在这些电容的串联组合等于  这是电路的总电容。现在电压表的阻抗等于 Z1 = 1/jωC1，因此总阻抗将等于  现在可以将倍增因子定义为 Z/Z1 的比值，即 1 + C2 / C1。同样，也可以计算倍增因子。因此，通过这种方式，我们可以增加要测量的电压范围。 ### 静电式仪表的优点 现在让我们看看静电式仪表的一些优点。 1. 最重要的一点是，我们可以测量交流和直流电压，原因很明显，偏转力矩与电压的平方成正比。 2. 这些类型的仪表的功耗非常低，因为它们所消耗的电流非常小。 3. 我们可以测量高电压值。 ### 静电式仪表的缺点 尽管有各种优点，静电式仪表也存在一些缺点，如下所述。 1. 与其他仪表相比，这些仪表相当昂贵，并且体积较大。 2. 刻度不均匀。 3. 涉及的各种操作力在数值上很小。 声明：尊重原创，好文章值得分享，如有侵权请联系删除。