Hur man mäter elektrisk energi: En omfattande guide

Vad är elektrisk energi?

Elektrisk energi definieras som produkten av elektrisk effekt och tid, och den mäts i joule (J). En joule elektrisk energi motsvarar en watt effekt som konsumeras under en sekund. Matematiskt kan vi skriva:

E=P×t

där,

• E är den elektriska energin i joule (J)

• P är den elektriska effekten i watt (W)

• t är tiden i sekunder (s)

Elektrisk energi och effekt är nära relaterade koncept. Elektrisk effekt är mängden elektrisk ström som flödar genom en krets på grund av en viss spänning skillnad över den. Elektrisk effekt är också hastigheten för vilken elektrisk energi levereras eller konsumeras av en enhet eller ett system. Elektrisk effekt mäts i watt (W), vilket är ekvivalent med joule per sekund (J/s). Matematiskt kan vi skriva:

P=V×I

där,

• P är den elektriska effekten i watt (W)

• V är den spänningen skillnaden i volt (V)

• I är den elektriska strömmen i amper (A)

För att mäta elektrisk energi behöver vi känna till både den elektriska effekten och tidsperioden under vilken den tillämpas eller konsumeras. Till exempel, om en 100 W glödlampa är påslagen i 10 minuter, så är den elektriska energin som konsumeras av den:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

Enheter för elektrisk energi

Joule är den standard energienheten i Internationella enhetssystemet (SI), men den är för liten för praktiska ändamål när det gäller stora mängder elektrisk energi. Därför används andra enheter vanligtvis för att mäta elektrisk energi, såsom wattimma (Wh), kilowattimma (kWh), megawattimma (MWh) och gigawattimma (GWh). Dessa enheter härleds från multiplikationen av effektenheten (watt) med tidenheten (timme).

• Wattimma (Wh) är mängden elektrisk energi som konsumeras av en enhet eller ett system som drar en watt effekt under en timme. Det visar hur snabbt effekten konsumeras under en period. En wattimma motsvarar 3,600 joule. Till exempel konsumerar en 15 W LED-lampa 15 Wh elektrisk energi under en timme.

• Kilowattimma (kWh) är en större enhet för elektrisk energi som vanligtvis används för hushållsapparater och elräkningar. En kilowattimma motsvarar 1,000 wattimma eller 3.6 megajoule. Till exempel konsumerar en kylskåp som drar 300 W effekt 300 Wh eller 0.3 kWh elektrisk energi under en timme.

• Megawattimma (MWh) är en enhet för elektrisk energi som typiskt används för att mäta utdata eller konsumtion av storskaliga kraftverk eller nät. En megawattimma motsvarar 1,000 kilowattimma eller 3.6 gigajoule. Till exempel producerar ett kolbaserat kraftverk med kapaciteten 600 MW 600 MWh elektrisk energi under en timme.

• Gigawattimma (GWh) är en enhet för elektrisk energi som används för att mäta mycket stora mängder elproduktion eller -konsumtion över långa perioder. En gigawattimma motsvarar 1,000 megawattimma eller 3.6 terajoule. Till exempel var den totala elkonsumtionen i USA 2019 cirka 3,800 TWh eller 3.8 miljon GWh.

Följande tabell sammanfattar enheter för elektrisk energi och deras konverteringar:

Hur man mäter elektrisk energi med en mätare

För att mäta elektrisk energi behöver vi en enhet som kan registrera den elektriska effekten och tidsperioden under vilken den tillämpas eller konsumeras. Sådan en enhet kallas en elektrisk energimätare eller helt enkelt en energimätare. En energimätare är en enhet som mäter mängden elektrisk energi som konsumeras av en bostad, ett företag eller en elektriskt drivet enhet. Den mäter den totala effekt som konsumeras under en tidsperiod och kalibreras i faktureringsenheter, den vanligaste är kilowattimma (kWh). Energimätare används i domestiska och industriella växelströmskretsar för att mäta effektkonsumtion.

Det finns olika typer av energimätare, beroende på teknologi, design och tillämpning. Några av de vanliga typerna är:

• Elektromekaniska mätare: Dessa är de traditionella mätarna som använder en roterande metallskiva och en elektromagnet för att mäta den elektriska effekten och registrera den på en serie av skalor eller en mekanisk räknare. De kallas också induktionsmätare eller Ferraris-mätare. De är enkla, robusta och exakta, men de har vissa nackdelar, såsom mekanisk slitage och tear, känslighet för manipulering och magnetisk interferens, samt oförmåga att mäta reaktiv effekt eller effektkvalitet.

• Elektroniska mätare: Dessa är de moderna mätarna som använder elektroniska kretsar och sensorer för att mäta den elektriska effekten och visa den på en digital skärm eller sända den till ett fjärrsystem. De kallas också fastställningsmätare eller digitala mätare. De har många fördelar jämfört med elektromekaniska mätare, såsom högre precision, lägre underhåll, fjärrläsning och kommunikation, flera tariffoptioner, och avancerade funktioner som efterfråge respons, belastningsprofilering och effektkvalitetsanalys.

• Smartmätare: Dessa är avancerade mätare som använder digital teknik och trådlös kommunikation för att mäta den elektriska effekten och skicka den till ett centralt system eller ett smarta nätverk. De kallas också avancerad mätinfrastruktur (AMI) eller intelligenta mätningssystem (IMS). De har många fördelar jämfört med elektroniska mätare, såsom realtidsdatainsamling och analys, dynamisk prissättning och fakturering, utslagsdetektion och återställning, efterfrågestyrning och kundengagemang.

Det grundläggande principen för att mäta elektrisk energi med en mätare är att multiplicera den elektriska effekten