エネルギーメーターとは何か その構造と動作原理は何ですか
定義：エネルギー計は、電気負荷によって消費される電気エネルギーを測定する装置です。電気エネルギーとは、特定の時間内に負荷によって消費され利用される総電力のことです。エネルギー計は家庭用および産業用AC回路で電力消費量を測定するために使用されます。比較的安価で正確です。
エネルギー計の構造
単相エネルギー計の構造は以下の図に示されています。
エネルギー計は以下の4つの主要な部品で構成されています。
各部品の詳細な説明は以下に記載します。
駆動系
電磁石は駆動系の核心的な部品として機能します。そのコイルを通る電流によって一時的な磁石として活性化されます。この電磁石のコアはシリコン鋼板で構築されています。
駆動系には2つの電磁石があります。上部のものはシャント電磁石と呼ばれ、下部のものはシリーズ電磁石と呼ばれます。
磁石の中央部分には調整可能な銅バンドが装備されています。この銅バンドの主な役割は、シャント磁石によって生成された磁束が供給電圧に対して完全に垂直になるように調整することです。
可動系
可動系はアルミニウム製ディスクと合金製シャフトで構成されています。このディスクは2つの電磁石の間に位置しています。磁場が変化すると、ディスクに渦電流が誘導されます。これらの渦電流は磁束と相互作用して偏向トルクを生成します。
電気機器が電力を消費すると、アルミニウム製ディスクが回転し始めます。一定数の回転後、ディスクは負荷によって消費された電気エネルギーの量を示します。回転数は特定の時間間隔でカウントされ、ディスクはキロワット・アワーで電力消費量を測定します。
制動系
永久磁石はアルミニウム製ディスクの回転を遅らせるために使用されます。ディスクが回転すると、渦電流が誘導されます。これらの渦電流は永久磁石の磁束と相互作用して制動トルクを生成します。
この制動トルクはディスクの運動に対抗し、回転速度を減速します。永久磁石は調整可能であり、これを径方向に再配置することで制動トルクを変更できます。
記録（カウンティング機構）
記録またはカウンティング機構の主な機能は、アルミニウム製ディスクの回転数を記録することです。ディスクの回転は負荷によって消費される電気エネルギーの量に比例しており、これはキロワット・アワーで測定されます。
ディスクの回転はさまざまなダイヤルのポインタに伝達され、異なる読み取り値を記録します。キロワット・アワーでのエネルギー消費量は、ディスクの回転数をメータ定数で乗算して計算されます。ダイヤルの構成は以下の図に示されています。
エネルギー計の動作原理
エネルギー計はアルミニウム製ディスクを特徴とし、その回転を利用して負荷の電力消費量を決定します。このディスクはシリーズ電磁石とシャント電磁石の間のエアギャップに位置しています。シャント磁石には圧力コイルが装備されており、シリーズ磁石には電流コイルが装備されています。
圧力コイルは供給電圧により磁場を生成し、電流コイルは通過する負荷電流により磁場を生成します。
電圧（圧力）コイルによって誘導される磁場は、電流コイルの磁場に対して90°遅れます。この位相差はアルミニウム製ディスクに渦電流を誘導します。これらの渦電流と結合した磁場との相互作用によりトルクが生成され、ディスクに回転力を及ぼします。結果として、ディスクは回転し始めます。
ディスクに働く回転力は、電流コイルを通過する電流と圧力コイルにかかる電圧に比例します。制動系の永久磁石はディスクの回転を制御します。これにより、ディスクの回転速度が実際の電力消費量と一致します。サイクロメーター（記録機構）はディスクの回転数をカウントしてエネルギー使用量を定量します。
エネルギー計の理論
圧力コイルは多くの巻線を持っており、非常にインダクティブです。圧力コイルの磁気回路は、磁気構造内の小さなエアギャップ長により非常に低いリラクタンスパスを持っています。圧力コイルを通過する電流Ipは、供給電圧によって駆動されますが、コイルの高インダクタンスにより供給電圧に対して約90°遅れます。
電流Ipは2つの磁束Φpを生成し、さらにこれはΦp1とΦp2に分割されます。Φp1の大部分は低リラクタンスのために側面ギャップを通過します。Φp2はディスクを通過し、アルミニウム製ディスクを回転させる駆動トルクを誘導します。
磁束Φpは適用電圧に比例し、電圧に対して90°遅れます。この磁束は交流であるため、ディスクに渦電流Iepを誘導します。
電流コイルを通過する負荷電流は磁束Φsを誘導します。この磁束はディスクに渦電流Iesを生成します。渦電流Iesは磁束Φpと相互作用し、渦電流Iepは磁束Φsと相互作用して別のトルクを生成します。これらの2つのトルクは反対方向に作用し、ネットトルクはそれらの差となります。
エネルギー計のベクトル図は以下の図に示されています。
ここで
V - 適用電圧
I - 負荷電流
∅ - 負荷電流の位相角
Ip - 負荷の圧力角
Δ - 供給電圧と圧力コイル磁束の間の位相角
f - 周波数
Z - 渦電流のインピーダンス
∝ - 渦電流経路の位相角
Eep - 磁束によって誘導された渦電流
Iep - 磁束による渦電流
Eev - 磁束による渦電流
Ies - 磁束による渦電流
ディスクのネット駆動トルクは以下の式で表されます。
ここでK1 - 定数
Φ1とΦ2は磁束間の位相角です。エネルギー計の場合、ΦpとΦsを取ります。
β - 磁束ΦpとΦpの間の位相角 = (Δ - Φ)、したがって
定常状態では、駆動トルクの速度は制動トルクと等しくなります。
回転速度は電力に比例します。
三相エネルギー計は大規模な電力消費量の測定に使用されます。
