Was ist ein Energiemesser und was sind sein Aufbau und Arbeitsprinzip
Definition: Ein Energiemesser ist ein Gerät, das zum Messen des von einer elektrischen Last verbrauchten elektrischen Energie verwendet wird. Elektrische Energie bezieht sich auf die insgesamt vom Verbraucher über einen bestimmten Zeitraum verbrauchte und genutzte Leistung. Energiemesser werden in Haushalts- und Industrie-Wechselstromkreisen eingesetzt, um den Stromverbrauch zu messen. Sie sind relativ preisgünstig und genau.
Aufbau eines Energiemessers
Der Aufbau eines Energiemessers für Einphasenwechselstrom ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Der Energiemesser besteht aus vier Hauptkomponenten, nämlich:
Eine detaillierte Erklärung jeder Komponente wird unten gegeben.
Antriebssystem
Das Elektromagneten dienen als Kernkomponente des Antriebssystems. Es funktioniert als temporäres Magnet, aktiviert durch den durch seine Spule fließenden elektrischen Strom. Der Kern dieses Elektromagneten besteht aus Siliziumstahllaminierungen.
Im Antriebssystem gibt es zwei Elektromagnete. Der obere wird als Shunt-Elektromagnet bezeichnet, während der untere als Serien-Elektromagnet bekannt ist.
Der zentrale Teil des Magneten ist mit einem kupfernen Band ausgestattet, das einstellbar ist. Die Hauptfunktion dieses Kupferbands besteht darin, den vom Shunt-Magneten erzeugten magnetischen Fluss so auszurichten, dass er perfekt senkrecht zur angelegten Spannung steht.
Bewegungssystem
Das Bewegungssystem verfügt über eine Aluminiumscheibe, die an einer Legierungswelle montiert ist. Diese Scheibe befindet sich in der Luftlücke zwischen den beiden Elektromagneten. Wenn sich das magnetische Feld ändert, werden Wirbelströme in der Scheibe induziert. Diese Wirbelströme interagieren mit dem magnetischen Fluss und erzeugen einen Ablenktorque.
Wenn elektrische Geräte Strom ziehen, beginnt die Aluminiumscheibe sich zu drehen. Nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen zeigt die Scheibe den von der Last verbrauchten elektrischen Energiebetrag an. Die Anzahl der Umdrehungen wird über einen bestimmten Zeitraum gezählt, und die Scheibe misst den Stromverbrauch in Kilowattstunden.
Bremsanlage
Ein Permanentmagnet wird verwendet, um die Drehung der Aluminiumscheibe zu verlangsamen. Während die Scheibe rotiert, induziert sie Wirbelströme. Diese Wirbelströme interagieren mit dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten und erzeugen einen Bremsmoment.
Dieses Bremsmoment wirkt gegen die Bewegung der Scheibe und verringert ihre Rotationsgeschwindigkeit. Der Permanentmagnet ist einstellbar; durch seine radiale Verschiebung kann das Bremsmoment modifiziert werden.
Registrierung (Zählmechanismus)
Die Hauptfunktion der Registrierung oder des Zählmechanismus besteht darin, die Anzahl der Umdrehungen der Aluminiumscheibe zu erfassen. Die Drehung der Scheibe ist direkt proportional zur von der Last verbrauchten elektrischen Energie, gemessen in Kilowattstunden.
Die Drehung der Scheibe wird an verschiedene Zeiger verschiedener Skalen weitergeleitet, um verschiedene Werte zu erfassen. Der Energieverbrauch in Kilowattstunden wird berechnet, indem die Anzahl der Scheibenumdrehungen mit dem Meterkonstanten multipliziert wird. Die Skalenkonfiguration ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Funktionsprinzip des Energiemessers
Ein Energiemesser verfügt über eine Aluminiumscheibe, deren Drehung zur Bestimmung des Leistungsverbrauchs der Last verwendet wird. Diese Scheibe befindet sich in der Luftlücke zwischen dem Serien-Elektromagneten und dem Shunt-Elektromagneten. Der Shunt-Magnet ist mit einer Druckspule ausgestattet, während der Serienmagnet eine Stromspule hat.
Die Druckspule erzeugt ein magnetisches Feld aufgrund der Netzspannung, und die Stromspule erzeugt ein magnetisches Feld infolge des durch sie fließenden Laststroms.
Das durch die Spannung (Druck) Spule induzierte magnetische Feld liegt 90° hinter dem magnetischen Feld der Stromspule zurück. Dieser Phasenunterschied induziert Wirbelströme in der Aluminiumscheibe. Die Wechselwirkung dieser Wirbelströme mit den kombinierten magnetischen Feldern erzeugt ein Drehmoment, das eine Drehkraft auf die Scheibe ausübt. Folglich beginnt die Scheibe sich zu drehen.
Die auf die Scheibe wirkende Drehkraft ist proportional zum Strom durch die Stromspule und der Spannung an der Druckspule. Der Permanentmagnet in der Bremsanlage regelt die Drehung der Scheibe. Er wirkt gegen die Bewegung der Scheibe, um sicherzustellen, dass die Drehgeschwindigkeit mit dem tatsächlichen Leistungsverbrauch übereinstimmt. Ein Zähler (Registriermechanismus) zählt dann die Anzahl der Umdrehungen der Scheibe, um den Energieverbrauch zu quantifizieren.
Theorie des Energiemessers
Die Druckspule hat eine relativ große Anzahl von Windungen, was sie hochinduktiv macht. Der magnetische Kreis der Druckspule hat einen sehr geringen Reluktanzweg, dank der kurzen Luftspaltlänge in seiner magnetischen Struktur. Der durch die Druckspule fließende Strom \(I_p\), getrieben durch die Netzspannung, liegt etwa 90° hinter der Netzspannung aufgrund der hohen Induktivität der Spule.
Der Strom \(I_p\) erzeugt zwei magnetische Flüsse, \(\varPhi_p\), die sich weiter in \(\varPhi_{p1}\) und \(\varPhi_{p2}\) aufteilen. Ein großer Teil des Flusses \(\varPhi_{p1}\) durchquert den Seitenluftspalt aufgrund seines geringen Reluktanz. Der Fluss \(\varPhi_{p2}\) durchquert die Scheibe und induziert ein Treibdrehmoment, das die Aluminiumscheibe dazu bringt, sich zu drehen.
Der Fluss \(\varPhi_p\) ist proportional zur angelegten Spannung und liegt 90° hinter der Spannung. Da dieser Fluss wechselnd ist, induziert er einen Wirbelstrom \(I_{ep}\) in der Scheibe.
Der durch die Stromspule fließende Laststrom induziert einen Fluss \(\varPhi_s\). Dieser Fluss erzeugt einen Wirbelstrom \(I_{es}\) in der Scheibe. Der Wirbelstrom \(I_{es}\) interagiert mit dem Fluss \(\varPhi_p\), und der Wirbelstrom \(I_{ep}\) interagiert mit \(\varPhi_s\), wodurch ein weiteres Drehmoment entsteht. Diese beiden Momente wirken in entgegengesetzte Richtungen, und das resultierende Moment ist die Differenz zwischen ihnen.
Das Phasendiagramm des Energiemessers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Sei
V – angelegte Spannung
I – Laststrom
∅ – der Phasenwinkel des Laststroms
\(I_p\) – Druckwinkel der Last
Δ – der Phasenwinkel zwischen Netzspannung und Fluss der Druckspule
f – Frequenz
Z – Impedanz des Wirbelstroms
∝ – der Phasenwinkel der Wirbelstrompfade
\(E_{ep}\) – durch Fluss induzierter Wirbelstrom
\(I_{ep}\) – Wirbelstrom aufgrund des Flusses
\(E_{ev}\) – Wirbelstrom aufgrund des Flusses
\(I_{es}\) – Wirbelstrom aufgrund des Flusses
Das resultierende Treibdrehmoment der Scheibe wird ausgedrückt als
wo \(K_1\) – Konstante
\(\varPhi_1\) und \(\varPhi_2\) sind die Phasenwinkel zwischen den Flüssen. Für den Energiemesser nehmen wir \(\varPhi_p\) und \(\varPhi_s\).
β – Phasenwinkel zwischen den Flüssen \(\varPhi_p\) und \(\varPhi_p\) = (Δ - ∅), daher
Im stationären Zustand ist die Geschwindigkeit des Treibdrehmoments gleich der Bremskraft.
Die Drehgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Leistung.
Der Dreiphasen-Energiemesser wird zur Messung des großen Stromverbrauchs verwendet.
