Wat is een energiemeter en wat zijn de constructie en werking ervan
Definitie: Een energiemeter is een apparaat dat wordt gebruikt om de elektrische energie te meten die door een elektrische belasting wordt verbruikt. Elektrische energie verwijst naar de totale vermogen die over een specifieke periode door een belasting wordt verbruikt en gebruikt. Energiemeters worden gebruikt in huishoudelijke en industriële wisselstroomcircuits om het vermogenverbruik te meten. Ze zijn relatief goedkoop en nauwkeurig.
Bouw van een Energiemeter
De bouw van een eenfasige energiemeter is weergegeven in de onderstaande figuur.
De energiemeter bestaat uit vier hoofdcomponenten, namelijk:
Een gedetailleerde uitleg van elk component wordt hieronder gegeven.
Aandrijfsysteem
De elektromagneet fungeert als het kerncomponent van het aandrijfsysteem. Het werkt als een tijdelijke magneet, geactiveerd door de elektrische stroom die door zijn spoel loopt. De kern van deze elektromagneet is gemaakt van silicium staal laminaten.
Binnen het aandrijfsysteem zijn er twee elektromagneten. De bovenste wordt de shunt-elektromagneet genoemd, terwijl de onderste bekend staat als de serie-elektromagneet.
Het centrale been van de magneet is uitgerust met een koperen band, die verstelbaar is. De belangrijkste rol van deze koperen band is om de magnetische flux die door de shuntmagneet wordt opgewekt zo te richten dat deze perfect loodrecht staat op de aangeboden spanning.
Bewegingssysteem
Het bewegingssysteem heeft een aluminium schijf die is bevestigd op een legeringsschacht. Deze schijf is geplaatst in de luchtopening tussen de twee elektromagneten. Wanneer het magnetisch veld verandert, worden eddy-stromen in de schijf geïnduceerd. Deze eddy-stromen interacteren met de magnetische flux, waardoor een afbuigend moment ontstaat.
Wanneer elektrische apparaten stroom trekken, begint de aluminium schijf te roteren. Na een bepaald aantal rotaties geeft de schijf het bedrag aan elektrische energie aan dat door de belasting is verbruikt. Het aantal rotaties wordt geteld over een specifieke tijdsperiode, en de schijf meet het vermogenverbruik in kilowatturen.
Remsysteem
Een permanente magneet wordt gebruikt om de rotatie van de aluminium schijf te vertragen. Terwijl de schijf roteert, worden eddy-stromen geïnduceerd. Deze eddy-stromen interacteren met de magnetische flux van de permanente magneet, waardoor een remmoment ontstaat.
Dit remmoment gaat in tegen de beweging van de schijf, waardoor de rotatiesnelheid wordt verlaagd. De permanente magneet is verstelbaar; door hem radiaal te verplaatsen, kan het remmoment worden aangepast.
Registratie (Tellermechanisme)
De primaire functie van de registratie, of tellermechanisme, is om het aantal rotaties van de aluminium schijf te registreren. De rotatie van de schijf is recht evenredig met de elektrische energie die door de belasting wordt verbruikt, gemeten in kilowatturen.
De rotatie van de schijf wordt overgebracht naar de wijzers van verschillende wijzerplaten om verschillende waarden te registreren. Het energieverbruik in kilowatturen wordt berekend door het aantal schijfrotaties te vermenigvuldigen met de meterconstante. De configuratie van de wijzerplaat is weergegeven in de onderstaande figuur.
Werking van de Energiemeter
Een energiemeter heeft een aluminium schijf, waarvan de rotatie wordt gebruikt om het vermogenverbruik van de belasting te bepalen. Deze schijf is geplaatst in de luchtopening tussen de serie-elektromagneet en de shunt-elektromagneet. De shuntmagneet is uitgerust met een drukspoel, terwijl de seriële magneet een stroomspoel heeft.
De drukspoel genereert een magnetisch veld door de aansluitspanning, en de stroomspoel produceert een magnetisch veld als gevolg van de belastingsstroom die erdoorheen loopt.
Het magnetisch veld dat door de spanning (druk) spoel wordt opgewekt, ligt 90° achter op het magnetisch veld van de stroomspoel. Dit faseverschil induceert eddy-stromen in de aluminium schijf. De interactie tussen deze eddy-stromen en de gecombineerde magnetische velden genereert een moment, wat een rotatiekracht op de schijf uitoefent. Hierdoor begint de schijf te roteren.
De rotatiekracht die op de schijf werkt, is evenredig met de stroom door de stroomspoel en de spanning over de drukspoel. De permanente magneet in het remmechanisme reguleert de rotatie van de schijf. Hij gaat in tegen de beweging van de schijf, zodat de rotatiesnelheid overeenkomt met het daadwerkelijke vermogenverbruik. Een cyclometer (registratiemechanisme) telt vervolgens het aantal rotaties van de schijf om het energieverbruik te kwantificeren.
Theorie van de Energiemeter
De drukspoel heeft een relatief groot aantal windingen, waardoor hij zeer inductief is. Het magnetische circuit van de drukspoel heeft een pad met een zeer lage weerstand, dankzij de kleine luchtopening in zijn magnetische structuur. De stroom Ip die door de drukspoel loopt, gedreven door de aansluitspanning, ligt ongeveer 90° achter op de aansluitspanning door de hoge inductiviteit van de spoel.
De stroom Ip genereert twee magnetische fluxen, Φp, die verder worden gesplitst in &Φ;p1 en &Φ;p2. Een groot deel van de flux &Φ;p1 passeert de zijopening vanwege de lage weerstand. De flux &Φ;p2 reist door de schijf en induceert een drijfmoment dat de aluminium schijf doet roteren.
De flux &Φ;p is evenredig met de aangelegde spanning en ligt 90° achter op de spanning. Aangezien deze flux wisselend is, induceert deze een eddy-stroom Iep in de schijf.
De belastingsstroom die door de stroomspoel loopt, induceert een flux &Φ;s. Deze flux genereert een eddy-stroom Ies in de schijf. De eddy-stroom Ies interacleert met de flux &Φ;p, en de eddy-stroom Iep interacleert met &Φ;s, wat resulteert in een ander moment. Deze twee momenten werken in tegengestelde richtingen, en het netto-moment is het verschil tussen hen.
Het fasor-diagram van de energiemeter is weergegeven in de onderstaande figuur.
Laat
V – aangelegde spanning
I – belastingsstroom
∅ – de fasehoek van de belastingsstroom
Ip – drukhoek van de belasting
Δ – de fasehoek tussen de aansluitspanning en de flux van de drukspoel
f – frequentie
Z – impedantie van de eddy-stroom
∝ – de fasehoek van de eddy-stroompaden
Eep – eddy-stroom geïnduceerd door de flux
Iep – eddy-stroom veroorzaakt door de flux
Eev – eddy-stroom veroorzaakt door de flux
Ies – eddy-stroom veroorzaakt door de flux
Het netto-drijfmoment van de schijf wordt uitgedrukt als
waarbij K1 – constante
&Φ;1 en &Φ;2 zijn de fasehoeken tussen de fluxen. Voor de energiemeter nemen we &Φ;p en &Φ;s.
&β; – fasehoek tussen de fluxen &Φ;p en &Φ;p = (&Δ; – &Φ;), daarom
In de stabiele toestand is de snelheid van het drijfmoment gelijk aan het remmoment.
De rotatiesnelheid is recht evenredig met het vermogen.
De driefase-energiemeter wordt gebruikt voor het meten van grote vermogensverbruiken.
