Què és un comptador d'energia i quins són els seus principis de construcció i funcionament
Definició: Un comptador d'energia és un dispositiu utilitzat per mesurar l'energia elèctrica consumida per una càrrega elèctrica. L'energia elèctrica es refereix al poder total consumit i utilitzat per una càrrega en un període de temps específic. Els comptadors d'energia s'utilitzen en circuits CA domèstics i industrials per mesurar el consum d'energia. Són relativament econòmics i precisos.
Construcció d'un Comptador d'Energia
La construcció d'un comptador d'energia monofàsic es mostra a la figura següent.
El comptador d'energia consta de quatre components principals, a saber:
A continuació es proporciona una explicació detallada de cada component.
Sistema de Propulsió
L'electroimant serveix com a component central del sistema de propulsió. Funciona com a imant temporal, activat pel corrent elèctric que passa pel seu bobinat. El nucli d'aquest electroimant està construït amb laminacions d'acer siliciós.
Dins del sistema de propulsió, hi ha dos electroimants. L'electroimant superior es coneix com a electroimant de derivació, mentre que l'inferior és conegut com a electroimant de sèrie.
La branca central de l'imant està equipada amb una cinta de cobre, que és ajustable. El paper principal d'aquesta cinta de cobre és alinear el flux magnètic generat per l'electroimant de derivació de manera que sigui perfectament perpendicular a la tensió d'entrada.
Sistema Mòbil
El sistema mòbil disposa d'un disc d'alumini muntat en un eix d'alli. Aquest disc està situat dins de l'espai d'aire entre els dos electroimants. Quan el camp magnètic canvia, es produeixen corrents de Foucault al disc. Aquests corrents interactuen amb el flux magnètic, generant un moment de deflexió.
Quan els dispositius elèctrics consumeixen energia, el disc d'alumini comença a girar. Després d'un cert nombre de rotacions, el disc indica la quantitat d'energia elèctrica consumida per la càrrega. El nombre de rotacions es compta en un interval de temps específic, i el disc mesura el consum d'energia en quilowatts-hora.
Sistema de Frenada
Es fa servir un imant permanent per aturar la rotació del disc d'alumini. Quan el disc gira, es produeixen corrents de Foucault. Aquests corrents interactuen amb el flux magnètic de l'imant permanent, creant un moment de frenada.
Aquest moment de frenada oposa el moviment del disc, reduint-ne la velocitat de rotació. L'imant permanent és ajustable; reubicant-lo radialment, es pot modificar el moment de frenada.
Registre (Mecanisme de Compte)
La funció principal del registre, o mecanisme de compte, és registrar el nombre de rotacions del disc d'alumini. La rotació del disc és directament proporcional a l'energia elèctrica consumida per la càrrega, mesurada en quilowatts-hora.
La rotació del disc s'estableix als punterys de diversos quadrants per registrar diferents lectures. El consum d'energia en quilowatts-hora es calcula multiplicant el nombre de rotacions del disc per la constant del comptador. La configuració del quadrant es mostra a la figura següent.
Principi de Funcionament del Comptador d'Energia
Un comptador d'energia disposa d'un disc d'alumini, la rotació del qual s'utilitza per determinar el consum d'energia de la càrrega. Aquest disc està situat a l'espai d'aire entre l'electroimant de sèrie i l'electroimant de derivació. L'electroimant de derivació està equipat amb un bobinat de tensió, mentre que l'electroimant de sèrie té un bobinat de corrent.
El bobinat de tensió genera un camp magnètic degut a la tensió d'entrada, i el bobinat de corrent produeix un camp magnètic com a resultat del corrent de càrrega que passa a través seu.
El camp magnètic induït pel bobinat de tensió arriba 90º després del camp magnètic del bobinat de corrent. Aquesta diferència de fase induïx corrents de Foucault al disc d'alumini. La interacció d'aquests corrents de Foucault amb els camps magnètics combinats genera un moment, que exerceix una força rotacional sobre el disc. En conseqüència, el disc comença a girar.
La força rotacional que actua sobre el disc és proporcional al corrent a través del bobinat de corrent i la tensió a través del bobinat de tensió. L'imant permanent al sistema de frenada regula la rotació del disc. Oposa el moviment del disc, assegurant que la velocitat de rotació coincideixi amb el consum real d'energia. Un ciclemetre (mecanisme de registre) llavors compta el nombre de rotacions del disc per quantificar l'ús d'energia.
Teoria del Comptador d'Energia
El bobinat de tensió té un nombre relativament gran de voltes, fent-lo altament inductiu. El circuit magnètic del bobinat de tensió té una ruta de baixa relutància gràcies a la petita longitud de l'espai d'aire en la seva estructura magnètica. El corrent Ip que flueix a través del bobinat de tensió, impulsat per la tensió d'entrada, arriba 90º després de la tensió d'entrada degut a l'alta inductància del bobinat.
El corrent Ip genera dos fluxos magnètics, Φp, que es divideixen en Φp1 i Φp2. Una gran part del flux Φp1 passa a través de l'espai lateral degut a la seva baixa relutància. El flux Φp2 travessa el disc i induïx un moment de propulsió que fa girar el disc d'alumini.
El flux Φp és proporcional a la tensió aplicada i arriba 90º després de la tensió. Com que aquest flux és alternat, induïx corrents de Foucault Iep al disc.
El corrent de càrrega que flueix a través del bobinat de corrent induïx un flux Φs. Aquest flux genera corrents de Foucault Ies al disc. Els corrents de Foucault Ies interactuen amb el flux Φp, i els corrents de Foucault Iep interactuen amb Φs, resultant en un altre moment. Aquests dos moments actuen en direccions oposades, i el moment net és la diferència entre ells.
El diagrama fasorial del comptador d'energia es mostra a la figura següent.
Sigui
V – tensió aplicada
I – corrent de càrrega
∅ – angle de fase del corrent de càrrega
Ip – angle de pressió de la càrrega
Δ – angle de fase entre la tensió d'entrada i el flux del bobinat de tensió
f – freqüència
Z – impedància dels corrents de Foucault
∝ – angle de fase de les rutes dels corrents de Foucault
Eep – corrent de Foucault induït pel flux
Iep – corrent de Foucault degut al flux
Eev – corrent de Foucault degut al flux
Ies – corrent de Foucault degut al flux
El moment de propulsió net del disc es expressa com
on K1 – constant
Φ1 i Φ2 són l'angle de fase entre els fluxos. Per al comptador d'energia, prenem Φp i Φs.
β – angle de fase entre els fluxos Φp i Φp = (Δ – Φ), per tant
En estat estacionari, la velocitat del moment de propulsió és igual al moment de frenada.
La velocitat de rotació és directament proporcional a la potència.
El comptador d'energia trifàsic s'utilitza per mesurar el gran consum d'energia.
