에너지 미터가 무엇이며 그 구조와 작동 원리는 무엇인가?
정의: 에너지 미터는 전기 부하가 소비하는 전기 에너지를 측정하는 장치입니다. 전기 에너지는 특정 기간 동안 부하가 소비하고 사용하는 총 전력량을 의미합니다. 에너지 미터는 가정용 및 산업용 교류 회로에서 전력 소비를 측정하는 데 사용되며, 비교적 저렴하고 정확합니다.
에너지 미터의 구조
아래 그림은 단상 에너지 미터의 구조를 보여줍니다.
에너지 미터는 다음의 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다:
각 구성 요소에 대한 자세한 설명은 아래에 제공됩니다.
드라이빙 시스템
전자석은 드라이빙 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 전자석은 코일을 통과하는 전류에 의해 활성화되는 일시적인 자석 역할을 합니다. 이 전자석의 코어는 실리콘 강판으로 제작됩니다.
드라이빙 시스템 내에는 두 개의 전자석이 있습니다. 위쪽의 전자석은 샌트 전자석이라고 불리고, 아래쪽의 전자석은 시리즈 전자석이라고 불립니다.
자석의 중앙 부분에는 조절 가능한 구리 밴드가 장착되어 있습니다. 이 구리 밴드의 주요 역할은 샌트 자석이 생성하는 자기 플럭스를 공급 전압과 완전히 수직이 되도록 정렬하는 것입니다.
무빙 시스템
무빙 시스템은 알루미늄 디스크가 합금 축에 장착되어 있습니다. 이 디스크는 두 개의 전자석 사이의 공기 간극에 위치해 있습니다. 자기장이 변하면서 디스크에 유도 전류가 발생하며, 이러한 유도 전류와 자기 플럭스 간의 상호 작용으로 돌파력이 생성됩니다.
전기 장치가 전력을 소비하면 알루미늄 디스크가 회전하기 시작합니다. 특정 횟수의 회전 후, 디스크는 부하가 소비한 전기 에너지 양을 표시합니다. 회전 횟수는 특정 시간 간격 동안 계산되며, 디스크는 킬로와트-시간 단위로 전력 소비를 측정합니다.
브레이킹 시스템
영구 자석은 알루미늄 디스크의 회전을 느리게 하는 데 사용됩니다. 디스크가 회전하면서 유도 전류가 발생하며, 이러한 유도 전류와 영구 자석의 자기 플럭스 간의 상호 작용으로 제동 토크가 생성됩니다.
이 제동 토크는 디스크의 움직임을 방해하여 회전 속도를 줄입니다. 영구 자석은 조절 가능하며, 이를 방사형으로 재배치함으로써 제동 토크를 변경할 수 있습니다.
레지스터링 (계수 메커니즘)
레지스터링 또는 계수 메커니즘의 주요 기능은 알루미늄 디스크의 회전 횟수를 기록하는 것입니다. 디스크의 회전은 부하가 소비한 전기 에너지 양, 즉 킬로와트-시간 단위로 직접적으로 비례합니다.
디스크의 회전은 다양한 다이얼의 포인터로 전달되어 다른 읽기 값을 기록합니다. 킬로와트-시간 단위의 에너지 소비는 디스크 회전 횟수와 미터 상수를 곱하여 계산됩니다. 다이얼 구성은 아래 그림에 표시되어 있습니다.
에너지 미터의 작동 원리
에너지 미터는 부하의 전력 소비를 결정하기 위해 사용되는 알루미늄 디스크를 특징으로 합니다. 이 디스크는 시리즈 전자석과 샌트 전자석 사이의 공기 간극에 위치해 있습니다. 샌트 자석은 압력 코일을, 시리즈 자석은 전류 코일을 갖추고 있습니다.
압력 코일은 공급 전압에 의해 자기장을 생성하고, 전류 코일은 이를 통과하는 부하 전류에 의해 자기장을 생성합니다.
전압(압력) 코일에 의해 유도된 자기장은 전류 코일의 자기장보다 90° 늦습니다. 이 위상 차이로 인해 알루미늄 디스크에 유도 전류가 발생합니다. 이러한 유도 전류와 결합된 자기장 간의 상호 작용으로 토크가 생성되며, 이 토크는 디스크에 회전력을 행사합니다. 결과적으로 디스크가 회전하기 시작합니다.
디스크에 작용하는 회전력은 전류 코일을 통과하는 전류와 압력 코일을 가로지르는 전압에 비례합니다. 브레이킹 시스템의 영구 자석은 디스크의 회전을 규제합니다. 이는 디스크의 움직임을 방해하여 회전 속도가 실제 전력 소비와 일치하도록 합니다. 사이클로미터(계수 메커니즘)는 디스크의 회전 횟수를 세어 에너지 사용량을 측정합니다.
에너지 미터의 이론
압력 코일은 상대적으로 많은 수의 턴을 가지고 있어 매우 유도성이 높습니다. 압력 코일의 자기 회로는 자기 구조의 작은 공기 간극 길이 덕분에 매우 낮은 관성 경로를 가지고 있습니다. 압력 코일을 통과하는 전류 Ip는 코일의 높은 유도성으로 인해 공급 전압보다 약 90° 늦습니다.
전류 Ip는 두 가지 자기 플럭스, Φp를 생성하며, 이는 Φp1와 Φp2.로 더 나뉩니다. 플럭스 Φp1의 대부분은 저 관성 때문에 측면 간극을 통해 통과합니다. 플럭스 Φp2 는 디스크를 통해 통과하며, 디스크를 회전시키는 구동 토크를 유도합니다.
플럭스 Φp는 적용된 전압에 비례하며 전압보다 90° 늦습니다. 이 플럭스는 교대로 바뀌므로 디스크에 유도 전류 Iep 를 생성합니다.
부하 전류가 전류 코일을 통해 흐르면서 플럭스 Φs를 유도합니다. 이 플럭스는 디스크에 유도 전류 Ies를 생성합니다. 유도 전류 Ies 는 플럭스 Φp와 상호 작용하며, 유도 전류 Iep는 Φs와 상호 작용하여 또 다른 토크를 생성합니다. 이 두 토크는 반대 방향으로 작용하며, 순 토크는 이들 간의 차이입니다.
에너지 미터의 위상 벡터 도표는 아래 그림에 표시되어 있습니다.
다음과 같이 정의합니다:
V - 적용 전압
I - 부하 전류
∅ - 부하 전류의 위상 각
Ip - 부하의 압력 각
Δ - 공급 전압과 압력 코일 플럭스 사이의 위상 각
f - 주파수
Z - 유도 전류의 임피던스
∝ - 유도 전류 경로의 위상 각
Eep - 플럭스에 의해 유도된 유도 전류
Iep - 플럭스에 의한 유도 전류
Eev - 플럭스에 의한 유도 전류
Ies - 플럭스에 의한 유도 전류
디스크의 순 구동 토크는 다음과 같이 표현됩니다:
여기서 K1 - 상수
Φ1과 Φ2는 플럭스 사이의 위상 각입니다. 에너지 미터의 경우, Φp와 Φs를 취합니다.
β - 플럭스 Φp와 Φp 사이의 위상 각 = (Δ - Φ), 따라서
정상 상태에서는 구동 토크의 속도가 제동 토크와 같습니다.
회전 속도는 전력에 비례합니다.
삼상 에너지 미터는 대규모 전력 소비를 측정하는 데 사용됩니다.
