Co je to energetický měřič a jaké jsou jeho konstrukční a pracovní principy
Definice: Energetický měřič je zařízení používané k měření elektrické energie spotřebované elektrickým zatížením. Elektrická energie se týká celkové spotřeby a využití energie zatížením během konkrétního časového období. Energetické měřiče jsou používány v domácích a průmyslových AC obvodech k měření spotřeby energie. Jsou relativně levné a přesné.
Konstrukce energetického měřiče
Konstrukce jednofázového energetického měřiče je znázorněna na následujícím obrázku.
Energetický měřič se skládá ze čtyř hlavních komponent, a to:
Níže je podrobně popsán každý komponent.
Pohonný systém
Elektromagnet slouží jako jádrové komponent pohonného systému. Funkcionuje jako dočasný magnet, aktivovaný elektrickým proudem procházejícím jeho cívkou. Jádro tohoto elektromagnetu je vyrobeno z laminací hořčíkové oceli.
V pohonnému systému jsou dva elektromagnety. Horní se nazývá shuntový elektromagnet, zatímco spodní je známý jako sériový elektromagnet.
Střední část magnitu je opatřena mosazným páskem, který je nastavitelný. Klíčovou roli tohoto mosazného pásu je zarovnat magnetický tok generovaný shuntovým magnitem tak, aby byl dokonale kolmý k dodávanému napětí.
Pohyblivý systém
Pohyblivý systém obsahuje hliníkový disk umístěný na ložiskovém hřebíku. Tento disk je umístěn ve vzduchové mezeře mezi dvěma elektromagnety. S ohledem na změny magnetického pole jsou v disku indukovány vírové proudy. Tyto vírové proudy interagují s magnetickým tokem, což vytváří odstředivý moment.
Když elektrická zařízení spotřebovávají energii, hliníkový disk začne rotovat. Po určitém počtu otáček ukazuje disk množství spotřebované elektrické energie. Počet otáček se počítá během specifického časového intervalu a disk měří spotřebu energie v kilowatt - hodinách.
Brzdový systém
Trvalý magnet se používá k zpomalení rotace hliníkového disku. Když disk rotuje, indukuje vírové proudy. Tyto vírové proudy interagují s magnetickým tokem trvalého magnetu, což vytváří brzdicí moment.
Tento brzdicí moment protirotuje pohybu disku, snižuje jeho otáčky. Trvalý magnet je nastavitelný; jeho radiální přesun může upravovat brzdicí moment.
Zaznamínávací mechanismus (počítadlo)
Hlavní funkce zaznamínávacího, nebo počítacího mechanismu, je zaznamenání počtu otáček hliníkového disku. Rotace disku je přímo úměrná elektrické energii spotřebované zatížením, měřené v kilowatt - hodinách.
Rotace disku je předávána ukazatelům různých ciferníků k zaznamenání různých čtení. Spotřeba energie v kilowatt - hodinách se vypočítá násobením počtu otáček disku konstantou měřiče. Konfigurace ciferníků je znázorněna na následujícím obrázku.
Princip fungování energetického měřiče
Energetický měřič obsahuje hliníkový disk, jehož rotace se používá k určení spotřeby energie zatížením. Tento disk je umístěn ve vzduchové mezeře mezi sériovým elektromagnetem a shuntovým elektromagnetem. Shuntový magnet je opatřen tlakovou cívkou, zatímco sériový magnet má proudovou cívkou.
Tlaková cívka generuje magnetické pole díky dodávanému napětí a proudová cívka produkuje magnetické pole jako výsledek proudu zatížení procházejícího jí.
Magnetické pole indukované napěťovou (tlakovou) cívkou je zpožděno o 90° vzhledem k magnetickému poli proudové cívky. Toto fázové rozdílné indukuje vírové proudy v hliníkovém disku. Interakce těchto vírových proudů s kombinovanými magnetickými poli generuje moment, který vyvolává otáčivou sílu na disku. V důsledku toho disk začne rotovat.
Otáčivá síla působící na disk je úměrná proudu procházejícímu proudovou cívkou a napětí na tlakové cívkě. Trvalý magnet v brzdovém systému reguluje rotaci disku. Oproti pohybu disku zajistí, aby otáčivá rychlost odpovídala skutečné spotřebě energie. Cyclometr (zaznamínávací mechanismus) pak počítá počet otáček disku k kvantifikaci spotřeby energie.
Teorie energetického měřiče
Tlaková cívka má relativně velké množství závitů, což ji činí vysokoodpornou. Magnetický obvod tlakové cívky má velmi nízkou cestu s malým vzduchovým rozestupem v jeho magnetické struktuře. Proud Ip procházející tlakovou cívkou, poháněn dodávaným napětím, je zpožděn o přibližně 90° vzhledem k dodávanému napětí kvůli vysoké induktivitě cívky.
Proud Ip generuje dva magnetické toky, Φp, který je dále rozdělen na Φp1 a Φp2. Velká část tohu Φp1 prochází bočním rozestupem kvůli nízkému odporu. Tok Φp2 putuje přes disk a indukuje tahový moment, který způsobí rotaci hliníkového disku.
Tok Φp je úměrný aplikovanému napětí a je zpožděn o úhel 90°. Protože tento tok je střídavý, indukuje v disku vírový proud Iep.
Proud zatížení procházející proudovou cívkou indukuje tok Φs. Tento tok generuje vírový proud Ies v disku. Vírový proud Ies interaguje s tokem Φp a vírový proud Iep interaguje s Φs, což vede k dalšímu momentu. Tyto dva momenty působí v opačných směrech a netto moment je rozdílem mezi nimi.
Fázorový diagram energetického měřiče je znázorněn na následujícím obrázku.
Nechť
V – aplikované napětí
I – proud zatížení
∅ – fázový úhel proudu zatížení
Ip – tlakový úhel zatížení
Δ – fázový úhel mezi dodávaným napětím a tokem tlakové cívky
f – frekvence
Z – impedance vírového proudu
∝ – fázový úhel cesty vírového proudu
Eep – vírový proud indukovaný tokem
Iep – vírový proud způsobený tokem
Eev – vírový proud způsobený tokem
Ies – vírový proud způsobený tokem
Netto tahový moment disku je vyjádřen jako
kde K1 – konstanta
Φ1 a Φ2 jsou fázové úhly mezi toky. Pro energetický měřič bereme Φp a Φs.
β – fázový úhel mezi toky Φp a Φp = (Δ – Φ), proto
Ve stavu rovnováhy je rychlost tahového momentu rovna rychlosti brzdicího momentu.
Rychlost rotace je přímo úměrná výkonu.
Třífázový energetický měřič se používá k měření velké spotřeby energie.
