¿Qué es un medidor de energía y cuál es su principio de construcción y funcionamiento?
Definición: Un medidor de energía es un dispositivo utilizado para medir la energía eléctrica consumida por una carga eléctrica. La energía eléctrica se refiere al poder total consumido y utilizado por una carga durante un período de tiempo específico. Los medidores de energía se utilizan en circuitos CA domésticos e industriales para medir el consumo de energía. Son relativamente baratos y precisos.
Construcción de un Medidor de Energía
La construcción de un medidor de energía monofásico se muestra en la figura a continuación.
El medidor de energía consta de cuatro componentes principales, a saber:
A continuación se proporciona una explicación detallada de cada componente.
Sistema de Accionamiento
El electroimán sirve como el componente central del sistema de accionamiento. Funciona como un imán temporal, activado por la corriente eléctrica que pasa a través de su bobina. El núcleo de este electroimán está construido con laminaciones de acero silicio.
Dentro del sistema de accionamiento, hay dos electroimanes. El superior se conoce como el electroimán de derivación, mientras que el inferior se conoce como el electroimán de serie.
El vástago central del imán está equipado con una banda de cobre, que es ajustable. El papel principal de esta banda de cobre es alinear el flujo magnético generado por el imán de derivación de tal manera que sea perfectamente perpendicular al voltaje suministrado.
Sistema Móvil
El sistema móvil presenta un disco de aluminio montado en un eje de aleación. Este disco está posicionado dentro del espacio aéreo entre los dos electroimanes. A medida que cambia el campo magnético, se inducen corrientes de Foucault en el disco. Estas corrientes de Foucault interactúan con el flujo magnético, generando un par de torsión deflector.
Cuando los dispositivos eléctricos consumen energía, el disco de aluminio comienza a rotar. Después de un cierto número de rotaciones, el disco indica la cantidad de energía eléctrica consumida por la carga. El número de rotaciones se cuenta durante un intervalo de tiempo específico, y el disco mide el consumo de energía en kilovatios-hora.
Sistema de Frenado
Se utiliza un imán permanente para ralentizar la rotación del disco de aluminio. A medida que gira, se inducen corrientes de Foucault. Estas corrientes de Foucault interactúan con el flujo magnético del imán permanente, creando un par de frenado.
Este par de frenado opone la acción del disco, reduciendo su velocidad de rotación. El imán permanente es ajustable; reubicándolo radialmente, se puede modificar el par de frenado.
Registro (Mecanismo de Conteo)
La función principal del registro, o mecanismo de conteo, es registrar el número de rotaciones del disco de aluminio. La rotación del disco es directamente proporcional a la energía eléctrica consumida por la carga, medida en kilovatios-hora.
La rotación del disco se transmite a las agujas de varios diales para registrar diferentes lecturas. El consumo de energía en kilovatios-hora se calcula multiplicando el número de rotaciones del disco por la constante del medidor. La configuración de los diales se muestra en la figura a continuación.
Principio de Funcionamiento del Medidor de Energía
Un medidor de energía tiene un disco de aluminio, cuya rotación se utiliza para determinar el consumo de potencia de la carga. Este disco está posicionado en el espacio aéreo entre el electroimán de serie y el electroimán de derivación. El imán de derivación está equipado con una bobina de presión, mientras que el imán de serie tiene una bobina de corriente.
La bobina de presión genera un campo magnético debido al voltaje de suministro, y la bobina de corriente produce un campo magnético como resultado de la corriente de carga que pasa a través de ella.
El campo magnético inducido por la bobina de voltaje (presión) se retrasa 90° respecto al campo magnético de la bobina de corriente. Esta diferencia de fase induce corrientes de Foucault en el disco de aluminio. La interacción entre estas corrientes de Foucault y los campos magnéticos combinados genera un par, que ejerce una fuerza rotacional sobre el disco. En consecuencia, el disco comienza a girar.
La fuerza rotacional que actúa sobre el disco es proporcional a la corriente a través de la bobina de corriente y al voltaje a través de la bobina de presión. El imán permanente en el sistema de frenado regula la rotación del disco. Se opone al movimiento del disco, asegurando que la velocidad de rotación se alinee con el consumo real de potencia. Un ciclómetro (mecanismo de registro) luego cuenta el número de rotaciones del disco para cuantificar el uso de energía.
Teoría del Medidor de Energía
La bobina de presión tiene un número relativamente grande de vueltas, lo que la hace altamente inductiva. El circuito magnético de la bobina de presión tiene un camino de muy baja reticencia, gracias a la pequeña longitud del espacio aéreo en su estructura magnética. La corriente Ip que fluye a través de la bobina de presión, impulsada por el voltaje de suministro, se retrasa aproximadamente 90° respecto al voltaje de suministro debido a la alta inductancia de la bobina.
La corriente Ip genera dos flujos magnéticos, Φp, que se divide en Φp1 y Φp2. Una gran parte del flujo Φp1 pasa a través del espacio lateral debido a su baja reticencia. El flujo Φp2 viaja a través del disco e induce un par de torsión que hace que el disco de aluminio gire.
El flujo Φp es proporcional al voltaje aplicado y se retrasa 90° respecto al voltaje. Dado que este flujo es alternante, induce una corriente de Foucault Iep en el disco.
La corriente de carga que fluye a través de la bobina de corriente induce un flujo Φs. Este flujo genera una corriente de Foucault Ies en el disco. La corriente de Foucault Ies interactúa con el flujo Φp, y la corriente de Foucault Iep interactúa con Φs, resultando en otro par. Estos dos pares actúan en direcciones opuestas, y el par neta es la diferencia entre ellos.
El diagrama fasorial del medidor de energía se muestra en la figura a continuación.
Donde
V – voltaje aplicado
I – corriente de carga
∅ – el ángulo de fase de la corriente de carga
Ip – ángulo de presión de la carga
Δ – el ángulo de fase entre el voltaje de suministro y el flujo de la bobina de presión
f – frecuencia
Z – impedancia de la corriente de Foucault
∝ – el ángulo de fase de las trayectorias de la corriente de Foucault
Eep – corriente de Foucault inducida por el flujo
Iep – corriente de Foucault debido al flujo
Eev – corriente de Foucault debido al flujo
Ies – corriente de Foucault debido al flujo
El par de torsión neto del disco se expresa como
donde K1 – constante
Φ1 y Φ2 son los ángulos de fase entre los flujos. Para el medidor de energía, tomamos Φp y Φs.
β – ángulo de fase entre los flujos Φp y Φp = (Δ – Φ), por lo tanto
En estado estacionario, la velocidad del par de torsión de accionamiento es igual al par de frenado.
La velocidad de rotación es directamente proporcional a la potencia.
El medidor de energía trifásico se utiliza para medir el consumo de potencia elevado.
