Hvad er en energimåler og hvad er dets konstruktion og arbejdssætning
Definition: En energimåler er en enhed, der bruges til at måle den elektriske energi, som en elektrisk belastning forbruger. Elektrisk energi henviser til den samlede effekt, der forbruges og anvendes af en belastning over en bestemt periode. Energimålere bruges i hjemlige og industrielle AC-kredsløb til at måle strømforbrug. De er relativt billige og præcise.
Konstruktion af en Energimåler
Konstruktionen af en enefasede energimåler vises på figuren nedenfor.
Energimåleren består af fire hovedkomponenter, nemlig:
En detaljeret forklaring af hver komponent findes nedenfor.
Drevsystem
Elektromagnetet fungerer som den centrale komponent i drevsystemet. Det fungerer som et midlertidigt magnet, aktiveret af den elektriske strøm, der passerer gennem dens spole. Kernen af dette elektromagnet er konstrueret af siliciumstål lameller.
I drevsystemet findes der to elektromagneter. Den øverste kaldes shunt-elektromagnet, mens den nederste kaldes serie-elektromagnet.
Den centrale lem af magneten er udstyret med en justerbar kobberbånd. Den vigtigste rolle for dette kobberbånd er at justere den magnetiske flux, der genereres af shunt-magnetet, på en måde, der gør den perfekt vinkelret på den leverede spænding.
Bevægelsessystem
Bevægelsessystemet har en aluminiumsk disk monteret på en legeringsaks. Denne disk er placeret i luftgabet mellem de to elektromagneter. Når det magnetiske felt ændrer sig, induceres krydscurrents i disken. Disse krydscurrents interagerer med det magnetiske flux, hvilket skaber en defleksionsmoment.
Når elektriske enheder trækker strøm, begynder aluminiumsdisken at rotere. Efter et bestemt antal rotationer angiver disken mængden af den elektriske energi, der er forbrugt af lasten. Antallet af rotationer tælles over en bestemt tidsperiode, og disken måler strømforbrug i kilowatt-timer.
Bremse System
Et permanent magnet bruges til at sænke hastigheden på aluminiumsdisken. Når disken roterer, induceres krydscurrents. Disse krydscurrents interagerer med det magnetiske flux fra permanent magnet, hvilket skaber et bremsemoment.
Dette bremsemoment modsætter disken bevægelse, hvilket reducerer dens rotationshastighed. Permanent magnet er justerbart; ved at omplacere det radielt, kan bremsemomentet ændres.
Registrering (Tællemekanisme)
Den primære funktion af registreringen, eller tællemekanismen, er at optage antallet af rotationer af aluminiumsdisken. Diskens rotation er direkte proportional med den elektriske energi, som lasten forbruger, målt i kilowatt-timer.
Diskens rotation overføres til pegepinerne på forskellige ur, der optager forskellige læsninger. Strømforbruget i kilowatt-timer beregnes ved at multiplicere antallet af diskrotationer med målerkonstanten. Urkonfigurationen vises på figuren nedenfor.
Arbejdsprincip for Energimåler
En energimåler har en aluminiums disk, hvis rotation bruges til at fastlægge strømforbruget for lasten. Denne disk er placeret i luftgabet mellem serie-elektromagnet og shunt-elektromagnet. Shunt-magnetet er udstyret med en trykspire, mens serie-magnetet har en strømspire.
Trykspiret genererer et magnetfelt pga. leveringsspændingen, og strømspiret producerer et magnetfelt som resultat af laststrømmen, der passerer igennem det.
Det magnetfelt, der induceres af spændingspiret (tryk), ligger 90° bagved det magnetfelt, der kommer fra strømspiret. Dette faseforskell inducerer krydscurrents i aluminiumsdisken. Interaktionen mellem disse krydscurrents og de kombinerede magnetfelter skaber et moment, der udfolder en roterende kraft på disken. Dermed begynder disken at rotere.
Roterende kraft, der virker på disken, er proportional med strømmen gennem strømspiret og spændingen over trykspiret. Permanent magnet i bremsesystemet regulerer disken rotation. Det modarbejder diskens bevægelse, hvilket sikrer, at rotationshastigheden stemmer overens med det faktiske strømforbrug. En cyclometer (registreringsmekanisme) tæller derefter antallet af diskrotationer for at kvantificere energiforbrug.
Teori for Energimåler
Trykspiret har et relativt stort antal vindinger, hvilket gør det meget induktivt. Magnetkredsløbet for trykspiret har en meget lav modstand vej, takket være den lille luftgaplængde i dets magnetiske struktur. Strømmen Ip gennem trykspiret, drevet af leveringsspændingen, ligger 90° bagved leveringsspændingen på grund af spirens høje induktans.
Strømmen Ip genererer to magnetfluxer, Φp, som yderligere opdeles i Φp1 og Φp2. Et stort stykke af fluxen Φp1 passerer gennem sidegabet pga. dets lave modstand. Fluxen Φp2 rejser gennem disken og inducerer et drevende moment, der får aluminiumsdisken til at rotere.
Fluxen Φp er proportional med den anvendte spænding og ligger 90° bagved spændingen. Da denne flux er alternativ, inducerer den en krydscurrent Iep i disken.
Laststrømmen, der passerer gennem strømspiret, inducerer en flux Φs. Denne flux genererer en krydscurrent Ies i disken. Krydscurrenten Ies interagerer med fluxen Φp, og krydscurrenten Iep interagerer med Φs, hvilket resulterer i et andet moment. Disse to momenter virker i modsat retning, og det netto moment er forskellen mellem dem.
Phasordiagrammet for energimåleren vises på figuren nedenfor.
Lad
V – anvendt spænding
I – laststrøm
∅ – fasenvinklen for laststrømmen
Ip – trykvinkel for lasten
Δ – fasenvinklen mellem leveringsspænding og trykspire-flux
f – frekvens
Z – impedansen for krydscurrent
∝ – fasenvinklen for krydscurrent-bane
Eep – krydscurrent, der induceres af flux
Iep – krydscurrent, der skyldes flux
Eev – krydscurrent, der skyldes flux
Ies – krydscurrent, der skyldes flux
Nettodrevmomentet for disken udtrykkes som
hvor K1 – konstant
Φ1 og Φ2 er fasenvinklen mellem fluxene. For energimåler, tager vi Φp og Φs.
β – fasenvinklen mellem fluxene Φp og Φp = (Δ – Φ), derfor
I stabiltilstand er hastigheden af drevmomentet lig med bremsemomentet.
Rotationshastigheden er direkte proportional med effekten.
Tre-fasede energimålere bruges til at måle stort strømforbrug.
