Cosa è un contatore di energia e qual è il suo principio di funzionamento e costruzione
Definizione: Un contatore di energia è un dispositivo utilizzato per misurare l'energia elettrica consumata da un carico elettrico. L'energia elettrica si riferisce alla potenza totale consumata e utilizzata da un carico in un determinato periodo di tempo. I contatori di energia sono utilizzati nei circuiti AC domestici e industriali per misurare il consumo di potenza. Sono relativamente economici e accurati.
Costruzione di un Contatore di Energia
La costruzione di un contatore di energia monofase è mostrata nella figura sottostante.
Il contatore di energia è composto da quattro componenti principali, ovvero:
Una spiegazione dettagliata di ciascun componente è fornita di seguito.
Sistema di Trasmissione
L'elettromagnete funge da componente centrale del sistema di trasmissione. Funziona come un magnete temporaneo, attivato dalla corrente elettrica che passa attraverso la sua bobina. Il nucleo di questo elettromagnete è costruito con lamierini di acciaio al silicio.
All'interno del sistema di trasmissione, ci sono due elettromagneti. Quello superiore è chiamato elettromagnete shunt, mentre quello inferiore è noto come elettromagnete di serie.
Il braccio centrale del magnete è dotato di una fascia di rame, che è regolabile. Il ruolo chiave di questa fascia di rame è allineare il flusso magnetico generato dal magnete shunt in modo che sia perfettamente perpendicolare alla tensione fornita.
Sistema di Movimento
Il sistema di movimento presenta un disco di alluminio montato su un perno in lega. Questo disco è posizionato nello spazio tra i due elettromagneti. Quando il campo magnetico cambia, vengono indotte correnti di turbolenza nel disco. Queste correnti di turbolenza interagiscono con il flusso magnetico, generando un momento deflettore.
Quando i dispositivi elettrici assorbono potenza, il disco di alluminio inizia a ruotare. Dopo un certo numero di rotazioni, il disco indica la quantità di energia elettrica consumata dal carico. Il numero di rotazioni viene contato in un intervallo di tempo specifico, e il disco misura il consumo di potenza in chilowattora.
Sistema di Frenatura
Un magnete permanente viene utilizzato per rallentare la rotazione del disco di alluminio. Mentre il disco ruota, induce correnti di turbolenza. Queste correnti di turbolenza interagiscono con il flusso magnetico del magnete permanente, creando un momento frenante.
Questo momento frenante oppone il movimento del disco, riducendo la sua velocità di rotazione. Il magnete permanente è regolabile; riposizionandolo radialmente, si può modificare il momento frenante.
Registrazione (Meccanismo di Conteggio)
La funzione primaria della registrazione, o meccanismo di conteggio, è quella di registrare il numero di rotazioni del disco di alluminio. La rotazione del disco è direttamente proporzionale all'energia elettrica consumata dal carico, misurata in chilowattora.
La rotazione del disco viene trasmessa ai puntatori di vari quadranti per registrare diverse letture. Il consumo di energia in chilowattora viene calcolato moltiplicando il numero di rotazioni del disco per la costante del contatore. La configurazione dei quadranti è mostrata nella figura sottostante.
Principio di Funzionamento del Contatore di Energia
Un contatore di energia presenta un disco di alluminio, la cui rotazione viene utilizzata per determinare il consumo di potenza del carico. Questo disco è posizionato nello spazio tra l'elettromagnete di serie e l'elettromagnete shunt. Il magnete shunt è dotato di una bobina di pressione, mentre l'elettromagnete di serie ha una bobina di corrente.
La bobina di pressione genera un campo magnetico a causa della tensione di alimentazione, e la bobina di corrente produce un campo magnetico a causa della corrente di carico che vi passa attraverso.
Il campo magnetico indotto dalla bobina di tensione (di pressione) è sfasato di 90° rispetto al campo magnetico della bobina di corrente. Questa differenza di fase induce correnti di turbolenza nel disco di alluminio. L'interazione tra queste correnti di turbolenza e i campi magnetici combinati genera un momento, che esercita una forza rotazionale sul disco. Di conseguenza, il disco inizia a ruotare.
La forza rotazionale agente sul disco è proporzionale alla corrente attraverso la bobina di corrente e alla tensione sulla bobina di pressione. Il magnete permanente nel sistema di frenatura regola la rotazione del disco. Oppone il movimento del disco, assicurando che la velocità di rotazione sia allineata con il consumo effettivo di potenza. Un ciclometro (meccanismo di registrazione) conta poi il numero di rotazioni del disco per quantificare l'utilizzo di energia.
Teoria del Contatore di Energia
La bobina di pressione ha un numero relativamente elevato di spire, rendendola altamente induttiva. Il circuito magnetico della bobina di pressione ha un percorso a bassa riluttanza, grazie alla piccola lunghezza dello spazio aere nel suo struttura magnetica. La corrente Ip che scorre nella bobina di pressione, guidata dalla tensione di alimentazione, è sfasata di circa 90° rispetto alla tensione di alimentazione a causa dell'alta induttanza della bobina.
La corrente Ip genera due flussi magnetici, Φp, che sono ulteriormente suddivisi in &Φ;p1 e &Φ;p2. Una parte significativa del flusso &Φ;p1 passa attraverso lo spazio laterale a causa della sua bassa riluttanza. Il flusso &Φ;p2 viaggia attraverso il disco e induce un momento motore che fa ruotare il disco di alluminio.
Il flusso &Φ;p è proporzionale alla tensione applicata e sfasato di 90° rispetto alla tensione. Poiché questo flusso è alternato, induce una corrente di turbolenza Iep nel disco.
La corrente di carico che scorre nella bobina di corrente induce un flusso &Φ;s. Questo flusso genera una corrente di turbolenza Ies nel disco. La corrente di turbolenza Ies interagisce con il flusso &Φ;p, e la corrente di turbolenza Iep interagisce con &Φ;s, generando un altro momento. Questi due momenti agiscono in direzioni opposte, e il momento netto è la differenza tra loro.
Il diagramma fasore del contatore di energia è mostrato nella figura sottostante.
Sia
V – tensione applicata
I – corrente di carico
∅ – l'angolo di fase della corrente di carico
Ip – angolo di pressione del carico
Δ – l'angolo di fase tra la tensione di alimentazione e il flusso della bobina di pressione
f – frequenza
Z – impedenza della corrente di turbolenza
∝ – l'angolo di fase dei percorsi di corrente di turbolenza
Eep – corrente di turbolenza indotta dal flusso
Iep – corrente di turbolenza dovuta al flusso
Eev – corrente di turbolenza dovuta al flusso
Ies – corrente di turbolenza dovuta al flusso
Il momento motore netto del disco è espresso come
dove K1 – costante
&Φ;1 e &Φ;2 sono gli angoli di fase tra i flussi. Per il contatore di energia, consideriamo &Φ;p e &Φ;s.
β – angolo di fase tra i flussi &Φ;p e &Φ;p = (Δ – &Φ;), quindi
Nello stato stazionario, la velocità del momento motore è uguale al momento frenante.
La velocità di rotazione è direttamente proporzionale alla potenza.
Il contatore di energia trifase viene utilizzato per misurare il consumo di potenza elevato.
