Hva er en energimåler, og hva er dens konstruksjon og arbeidsprinsipp?

Definisjon: En energimåler er et enhet som brukes til å måle den elektriske energien forbruket av en elektrisk belastning. Elektrisk energi refererer til den totale effekten forbrukt og utnyttet av en belastning over en spesifikk periode. Energimålere brukes i husholdnings- og industrielle AC-kretser for å måle strømforbruk. De er relativt billige og nøyaktige.

Konstruksjon av en Energi Måler
Konstruksjonen av en enefase energimåler vises i figuren nedenfor. 

Energimåleren består av fire hovedkomponenter, nemlig:

• Drevsystem

• Bevegelsessystem

• BremseSystem

• Registreringssystem

En detaljert forklaring av hver komponent er gitt nedenfor.

Drevsystem

Elektromagnetet fungerer som kjernekomponenten i drevsystemet. Det fungerer som et midlertidig magnet, aktivert av elektrisk strøm som passerer gjennom dens spole. Kjernen av dette elektromagnetet er konstruert av silisiumstål lamellater.

Innenfor drevsystemet er det to elektromagneter. Den øverste kalles shunt-elektromagnet, mens den nederste er kjent som serie-elektromagnet.

• Serie-elektromagnetet blir opphisset av laststrømmen som passerer gjennom strømspolen.

• Spolen av shunt-elektromagnetet er direkte koblet til strømforsyningen, så den bærer en strøm som er proporsjonal med shuntspennings. Denne spolen kalles også trykkspole.

Midtrebenet av magneten er utstyrt med en kobberbånd, som er justerbart. Den viktigste rollen til dette kobberbåndet er å justere den magnetiske flukten generert av shunt-magnetet på en måte som gjør den helt vinkelrett på den forsynte spenningen.

Bevegelsessystem

Bevegelsessystemet inneholder en aluminiumsplate montert på en legeringsskakkel. Denne platen er plassert i luftgappen mellom de to elektromagnetene. Når det magnetiske feltet endrer seg, induceres virvelstrømer i platen. Disse virvelstrømene interagerer med den magnetiske flukten, noe som genererer en avlenkende dreietorque.

Når elektriske enheter trekker strøm, begynner aluminiumsplaten å rotere. Etter et bestemt antall omdreininger indikerer platen mengden elektrisk energi forbrukt av belastningen. Antallet omdreininger teller over en spesifikk tidsperiode, og platen måler strømforbruk i kilowatt-timer.

BremseSystem

Et permanent magnet brukes for å senke rotasjonshastigheten til aluminiumsplaten. Når platen roterer, induceres virvelstrømer. Disse virvelstrømene interagerer med den magnetiske flukten av det permanente magnetet, noe som skaper en bremsedreietorque.

Denne bremsedreietorquen motarbeider platens bevegelse, noe som reduserer dens rotasjonsfart. Det permanente magnetet er justerbart; ved å omposisjonere det radielt, kan bremsedreietorquen modifiseres.

Registrering (Telling mekanisme)

Den primære funksjonen til registreringen, eller tellingmekanismen, er å registrere antallet omdreininger av aluminiumsplaten. Rotasjonen av platen er direkte proporsjonal med den elektriske energien forbrukt av belastningen, målt i kilowatt-timer.

Rotasjonen av platen overføres til pekere på ulike instrumentpaneler for å registrere forskjellige lesninger. Strømforbruket i kilowatt-timer beregnes ved å multiplisere antallet omdreininger av platen med måleenheten. Instrumentpanelkonfigurasjonen vises i figuren nedenfor.

Arbeidsprinsipp for Energimåleren

En energimåler inneholder en aluminiumsplate, hvis rotasjon brukes til å bestemme strømforbruket av belastningen. Denne platen er plassert i luftgappen mellom serie-elektromagnet og shunt-elektromagnet. Shunt-magnetet er utstyrt med en trykkspole, mens serie-magnetet har en strømspole.

Trykkspolen genererer et magnetfelt på grunn av strømforsyningen, og strømspolen produserer et magnetfelt som følge av laststrømmen som passerer gjennom den.

Det magnetfeltet indukert av spenningspolen (trykkspole) ligger 90° bak det magnetfeltet fra strømspolen. Denne fasen forskjellen inducerer virvelstrømer i aluminiumsplaten. Interaksjonen mellom disse virvelstrømene og de kombinerte magnetfeltene genererer en dreietorque, som utøver en rotasjonskraft på platen. Dermed begynner platen å rotere.

Den rotasjonskraften som virker på platen, er proporsjonal med strømmen gjennom strømspolen og spenningen over trykkspolen. Det permanente magnetet i bremse systemet regulerer rotasjonen av platen. Det motarbeider platen sin bevegelse, slik at rotasjonsfarten samsvarer med det faktiske strømforbruket. En syklemeter (registrering mekanisme) teller deretter antallet omdreininger av platen for å kvantifisere energiforbruket.

Teori for Energimåleren

Trykkspolen har et relativt stort antall vindinger, noe som gjør den høyinduktiv. Magnetkretsen til trykkspolen har en veldig lav motstand vei, takket være den lille luftgappen i dens magnetiske struktur. Strømmen I_p som passerer gjennom trykkspolen, drivet av strømforsyningen, ligger ca. 90° bak strømforsyningen på grunn av spolens høye induktivitet.

Strømmen I_p genererer to magnetflukter, Φ_p, som igjen splittes inn i Φ_p1 og Φ_p2. En stor del av flukten Φ_p1 passerer gjennom sidegappen på grunn av dens lave motstand. Flukten Φ_p2 reiser gjennom platen og inducerer en drivedreietorque som får aluminiumsplaten til å rotere.

Flukten Φ_p er proporsjonal med den anvendte spenningen og ligger 90° bak spenningen. Siden denne flukten er alternerende, inducerer den en virvelstrøm I_ep i platen.

Laststrømmen som passerer gjennom strømspolen inducerer en flukt Φ_s. Denne flukten genererer en virvelstrøm I_es i platen. Virvelstrømmen I_es interagerer med flukten Φ_p, og virvelstrømmen I_ep interagerer med Φ_s, noe som resulterer i en annen dreietorque. Disse to dreietorquene virker i motsatte retninger, og den netto dreietorquen er differansen mellom dem.

Fasordiagrammet for energimåleren vises i figuren nedenfor.

La
V – anvendt spenning
I – laststrøm
∅ – fasevinkelen til laststrømmen
I_p – trykkvinkelen til lasten
Δ – fasevinkelen mellom strømforsyning og trykkspoleflukt
f – frekvens
Z – impedansen til virvelstrøm
∝ – fasevinkelen til virvelstrømmebane
E_ep – virvelstrøm indukert av flukt
I_ep – virvelstrøm på grunn av flukt
E_ev – virvelstrøm på grunn av flukt
I_es – virvelstrøm på grunn av flukt

Den netto drivedreietorquen av platen uttrykkes som

der K₁ – konstant

Φ₁ og Φ₂ er fasevinkelen mellom flukter. For energimåler, tar vi Φ_p og Φ_s.

β – fasevinkelen mellom flukter Φ_p og Φ_p = (Δ – Φ), derfor

På stabil tilstand, er hastigheten av drivedreietorquen lik bremse dreietorquen.

Rotasjonshastigheten er direkte proporsjonal med effekten.

Tre-fase energimåler brukes for å måle store strømforbruk.