چیست انرژی متر و اصول ساخت و کارکرد آن چیست؟
تعریف: دستگاه اندازهگیری مصرف انرژی الکتریکی توسط بار الکتریکی، انرژیسنج نامیده میشود. انرژی الکتریکی به مجموع قدرت مصرف شده و استفاده شده توسط بار در طول زمان مشخص اشاره دارد. انرژیسنجهها در مدارهای AC خانگی و صنعتی برای اندازهگیری مصرف برق استفاده میشوند. این دستگاهها نسبتاً کمهزینه و دقیق هستند.
ساختار انرژیسنجه
ساختار انرژیسنجه تکفاز در شکل زیر نشان داده شده است.
انرژیسنجه شامل چهار مؤلفه اصلی است که عبارتند از:
توضیحات جامع هر مؤلفه در ادامه آورده شده است.
سیستم محرک
الکترومغناطیس به عنوان مؤلفه اصلی سیستم محرک عمل میکند. این دستگاه به صورت یک مغناطیس موقت کار میکند که با گذر جریان الکتریکی از سیم پیچ خود فعال میشود. هسته این الکترومغناطیس از لایههای فولاد سیلیکونی ساخته شده است.
در سیستم محرک، دو الکترومغناطیس وجود دارد. الکترومغناطیس بالایی به آن الکترومغناطیس شانت و الکترومغناطیس پایینی به آن الکترومغناطیس سری اطلاق میشود.
عضو مرکزی مغناطیس با یک نوار مسی مجهز شده است که قابل تنظیم است. نقش اصلی این نوار مسی همراستایی کردن میدان مغناطیسی تولید شده توسط الکترومغناطیس شانت به گونهای است که کاملاً عمود بر ولتاژ تغذیه باشد.
سیستم متحرک
سیستم متحرک شامل یک دیسک آلومینیومی است که روی محوری از آلیاژ نصب شده است. این دیسک در فاصله هوایی بین دو الکترومغناطیس قرار دارد. با تغییر میدان مغناطیسی، جریانهای دوگانه در دیسک القاء میشوند. این جریانهای دوگانه با میدان مغناطیسی تعامل دارند و گشتاوری القایی ایجاد میکنند.
وقتی دستگاههای الکتریکی برق میکشند، دیسک آلومینیومی شروع به چرخش میکند. پس از تعدادی چرخش معین، دیسک مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده توسط بار را نشان میدهد. تعداد چرخشها در بازه زمانی مشخص شمارش میشود و دیسک مصرف برق را به کیلووات-ساعت اندازهگیری میکند.
سیستم مکث
یک مغناطیس دائم برای کند کردن چرخش دیسک آلومینیومی استفاده میشود. با چرخش دیسک، جریانهای دوگانه القاء میشوند. این جریانهای دوگانه با میدان مغناطیسی مغناطیس دائم تعامل دارند و گشتاور مکث ایجاد میکنند.
این گشتاور مکث حرکت دیسک را مخالفت میکند و سرعت چرخش آن را کاهش میدهد. مغناطیس دائم قابل تنظیم است؛ با تغییر موقعیت آن به صورت شعاعی، گشتاور مکث قابل تغییر است.
ثبتکننده (سیستم شمارش)
وظیفه اصلی ثبتکننده یا سیستم شمارش، شمارش تعداد چرخشهای دیسک آلومینیومی است. چرخش دیسک مستقیماً متناسب با مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده توسط بار، که به کیلووات-ساعت اندازهگیری میشود، است.
چرخش دیسک به نشانگرهای مختلف دایرهها منتقل میشود تا خواندنیهای مختلف را ثبت کند. مصرف انرژی به کیلووات-ساعت با ضرب تعداد چرخشهای دیسک در ثابت دستگاه محاسبه میشود. ساختار دایرهها در شکل زیر نشان داده شده است.
اصول کار انرژیسنجه
انرژیسنجه شامل یک دیسک آلومینیومی است که چرخش آن برای تعیین مصرف برق بار استفاده میشود. این دیسک در فاصله هوایی بین الکترومغناطیس سری و الکترومغناطیس شانت قرار دارد. الکترومغناطیس شانت با یک سیم پیچ فشار مجهز شده است، در حالی که الکترومغناطیس سری با یک سیم پیچ جریان مجهز شده است.
سیم پیچ فشار به دلیل ولتاژ تغذیه میدان مغناطیسی ایجاد میکند و سیم پیچ جریان میدان مغناطیسی ایجاد میکند به دلیل گذر جریان بار از آن.
میدان مغناطیسی القاء شده توسط سیم پیچ ولتاژ (فشار) ۹۰ درجه پس از میدان مغناطیسی سیم پیچ جریان میآید. این اختلاف فاز جریانهای دوگانه را در دیسک القاء میکند. تعامل این جریانهای دوگانه با میدانهای مغناطیسی ترکیبی گشتاوری القایی ایجاد میکند که نیروی چرخشی بر دیسک وارد میکند. در نتیجه، دیسک شروع به چرخش میکند.
نیروی چرخشی وارد شده بر دیسک متناسب با جریان از طریق سیم پیچ جریان و ولتاژ روی سیم پیچ فشار است. مغناطیس دائم در سیستم مکث چرخش دیسک را تنظیم میکند. این مغناطیس حرکت دیسک را مخالفت میکند و مطمئن میشود که سرعت چرخش با مصرف واقعی برق همخوانی دارد. سیکلومتر (سیستم ثبتکننده) سپس تعداد چرخشهای دیسک را شمارش میکند تا میزان مصرف انرژی را تعیین کند.
نظریه انرژیسنجه
سیم پیچ فشار تعداد دورهای نسبتاً زیادی دارد که آن را بسیار القایی میکند. مدار مغناطیسی سیم پیچ فشار دارای مسیری با مقاومت مغناطیسی بسیار کم است به دلیل طول کوتاه فاصله هوایی در ساختار مغناطیسی آن. جریان Ip که از طریق سیم پیچ فشار گذر میکند و توسط ولتاژ تغذیه تحریک میشود، تقریباً ۹۰ درجه پس از ولتاژ تغذیه به دلیل القای بالای سیم پیچ، میآید.
جریان Ip دو میدان مغناطیسی Φp را ایجاد میکند که به Φp1 و Φp2 تقسیم میشود. بخش عمدهای از میدان Φp1 از طریق فاصله جانبی به دلیل مقاومت مغناطیسی پایین گذر میکند. میدان Φp2 از طریق دیسک میگذرد و گشتاوری القایی ایجاد میکند که دیسک آلومینیومی را به چرخش درمیآورد.
میدان Φp متناسب با ولتاژ اعمال شده و ۹۰ درجه پس از ولتاژ میآید. از آنجا که این میدان متناوب است، جریان دوگانه Iep را در دیسک القاء میکند.
جریان بار که از طریق سیم پیچ جریان میگذرد میدان مغناطیسی Φs را القاء میکند. این میدان جریان دوگانه Ies را در دیسک القاء میکند. جریان دوگانه Ies با میدان Φp و جریان دوگانه Iep با Φs تعامل دارند و گشتاوری دیگر ایجاد میکنند. این دو گشتاور در جهتهای مخالف عمل میکنند و گشتاور خالص تفاوت بین آنها است.
نمودار فازی انرژیسنجه در شکل زیر نشان داده شده است.
فرض کنید
V - ولتاژ اعمال شده
I - جریان بار
φ - زاویه فاز جریان بار
Ip - زاویه فشار بار
Δ - زاویه فاز بین ولتاژ تغذیه و میدان مغناطیسی سیم پیچ فشار
f - فرکانس
Z - امپدانس جریان دوگانه
α - زاویه فاز مسیرهای جریان دوگانه
Eep - جریان دوگانه القاء شده توسط میدان
Iep - جریان دوگانه به دلیل میدان
Eev - جریان دوگانه به دلیل میدان
Ies - جریان دوگانه به دلیل میدان
گشتاور خالص محرک دیسک به صورت زیر بیان میشود
که در آن K1 - ثابت
Φ1 و Φ2 زاویه فاز بین میدانها هستند. برای انرژیسنجه، ما Φp و Φs را در نظر میگیریم.
β - زاویه فاز بین میدانهای Φp و Φp = (Δ - Φ)، بنابراین
در حالت پایدار، سرعت گشتاور محرک برابر با گشتاور مکث است.
سرعت چرخش متناسب با قدرت است.
انرژیسنجه سهفاز برای اندازهگیری مصرف برق بالا استفاده میشود.
