Qu'est-ce qu'un compteur d'énergie et quel est son principe de fonctionnement ?
Définition : Un compteur d'énergie est un dispositif utilisé pour mesurer l'énergie électrique consommée par une charge électrique. L'énergie électrique fait référence à la puissance totale consommée et utilisée par une charge sur une période spécifique. Les compteurs d'énergie sont utilisés dans les circuits domestiques et industriels en courant alternatif pour mesurer la consommation de puissance. Ils sont relativement peu coûteux et précis.
Construction d'un Compteur d'Énergie
La construction d'un compteur d'énergie monophasé est illustrée dans la figure ci-dessous.
Le compteur d'énergie se compose de quatre composants principaux, à savoir :
Une explication détaillée de chaque composant est fournie ci-dessous.
Système de propulsion
L'électroaimant sert de composant central du système de propulsion. Il fonctionne comme un aimant temporaire, activé par le courant électrique passant à travers sa bobine. Le noyau de cet électroaimant est construit à partir de laminations d'acier silicium.
Dans le système de propulsion, il y a deux électroaimants. Celui du haut est appelé l'électroaimant de dérivation, tandis que celui du bas est connu sous le nom d'électroaimant en série.
Le membre central de l'aimant est équipé d'une bande de cuivre, qui est réglable. Le rôle principal de cette bande de cuivre est d'aligner le flux magnétique généré par l'électroaimant de dérivation de manière à ce qu'il soit parfaitement perpendiculaire à la tension d'alimentation.
Système mobile
Le système mobile comprend un disque en aluminium monté sur un arbre en alliage. Ce disque est positionné dans l'entrefer entre les deux électroaimants. À mesure que le champ magnétique change, des courants de Foucault sont induits dans le disque. Ces courants de Foucault interagissent avec le flux magnétique, générant un couple de déviation.
Lorsque les appareils électriques consomment de l'énergie, le disque en aluminium commence à tourner. Après un certain nombre de rotations, le disque indique la quantité d'énergie électrique consommée par la charge. Le nombre de rotations est compté sur un intervalle de temps spécifique, et le disque mesure la consommation de puissance en kilowatt-heures.
Système de freinage
Un aimant permanent est utilisé pour ralentir la rotation du disque en aluminium. À mesure que le disque tourne, il induit des courants de Foucault. Ces courants de Foucault interagissent avec le flux magnétique de l'aimant permanent, créant un couple de freinage.
Ce couple de freinage s'oppose au mouvement du disque, réduisant sa vitesse de rotation. L'aimant permanent est réglable ; en le repositionnant radialement, le couple de freinage peut être modifié.
Enregistrement (mécanisme de comptage)
La fonction principale de l'enregistrement, ou mécanisme de comptage, est de compter le nombre de rotations du disque en aluminium. La rotation du disque est directement proportionnelle à l'énergie électrique consommée par la charge, mesurée en kilowatt-heures.
La rotation du disque est transmise aux pointeurs de divers cadrans pour enregistrer différentes lectures. La consommation d'énergie en kilowatt-heures est calculée en multipliant le nombre de rotations du disque par la constante du compteur. La configuration des cadrans est illustrée dans la figure ci-dessous.
Principe de fonctionnement du compteur d'énergie
Un compteur d'énergie comporte un disque en aluminium, dont la rotation est utilisée pour déterminer la consommation de puissance de la charge. Ce disque est positionné dans l'entrefer entre l'électroaimant en série et l'électroaimant de dérivation. L'électroaimant de dérivation est équipé d'une bobine de pression, tandis que l'électroaimant en série a une bobine de courant.
La bobine de pression génère un champ magnétique en raison de la tension d'alimentation, et la bobine de courant produit un champ magnétique en raison du courant de charge qui passe à travers elle.
Le champ magnétique induit par la bobine de tension (de pression) est en retard de 90° par rapport au champ magnétique de la bobine de courant. Cette différence de phase induit des courants de Foucault dans le disque en aluminium. L'interaction entre ces courants de Foucault et les champs magnétiques combinés génère un couple, qui exerce une force de rotation sur le disque. Par conséquent, le disque commence à tourner.
La force de rotation agissant sur le disque est proportionnelle au courant passant à travers la bobine de courant et à la tension à travers la bobine de pression. L'aimant permanent dans le système de freinage régule la rotation du disque. Il s'oppose au mouvement du disque, assurant que la vitesse de rotation correspond à la consommation de puissance réelle. Un cyclomètre (mécanisme d'enregistrement) compte ensuite le nombre de rotations du disque pour quantifier l'utilisation d'énergie.
Théorie du compteur d'énergie
La bobine de pression a un nombre de spires relativement élevé, ce qui la rend très inductive. Le circuit magnétique de la bobine de pression a un chemin de faible réluctance, grâce à la petite longueur de l'entrefer dans sa structure magnétique. Le courant Ip circulant dans la bobine de pression, alimenté par la tension d'alimentation, est en retard de 90° environ par rapport à la tension d'alimentation en raison de l'inductance élevée de la bobine.
Le courant Ip génère deux flux magnétiques, Φp, qui est divisé en Φp1 et Φp2. Une grande partie du flux Φp1 passe à travers l'entrefer latéral en raison de sa faible réluctance. Le flux Φp2 traverse le disque et induit un couple de propulsion qui fait tourner le disque en aluminium.
Le flux Φp est proportionnel à la tension appliquée et est en retard de 90° par rapport à la tension. Étant donné que ce flux est alternatif, il induit un courant de Foucault Iep dans le disque.
Le courant de charge circulant dans la bobine de courant induit un flux Φs. Ce flux génère un courant de Foucault Ies dans le disque. Le courant de Foucault Ies interagit avec le flux Φp, et le courant de Foucault Iep interagit avec Φs, générant un autre couple. Ces deux couples agissent dans des directions opposées, et le couple net est la différence entre eux.
Le diagramme vectoriel du compteur d'énergie est illustré dans la figure ci-dessous.
Soit
V – tension appliquée
I – courant de charge
∅ – angle de phase du courant de charge
Ip – angle de pression de la charge
Δ – angle de phase entre la tension d'alimentation et le flux de la bobine de pression
f – fréquence
Z – impédance des courants de Foucault
∝ – angle de phase des chemins des courants de Foucault
Eep – courant de Foucault induit par le flux
Iep – courant de Foucault dû au flux
Eev – courant de Foucault dû au flux
Ies – courant de Foucault dû au flux
Le couple de propulsion net du disque est exprimé comme suit
où K1 – constante
Φ1 et Φ2 sont les angles de phase entre les flux. Pour le compteur d'énergie, nous prenons Φp et Φs.
β – angle de phase entre les flux Φp et Φp = (Δ – Φ), donc
À l'état stable, la vitesse du couple de propulsion est égale au couple de freinage.
La vitesse de rotation est directement proportionnelle à la puissance.
Le compteur d'énergie triphasé est utilisé pour mesurer la grande consommation de puissance.
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