Co to jest licznik energii i jaki jest jego zasada działania？
Definicja: Licznik energii to urządzenie służące do pomiaru energii elektrycznej zużytej przez obciążenie elektryczne. Energię elektryczną rozumie się jako całkowitą moc zużytą i wykorzystaną przez obciążenie w określonym czasie. Liczniki energii są używane w domowych i przemysłowych obwodach AC do pomiaru zużycia mocy. Są one stosunkowo tanie i dokładne.
Konstrukcja licznika energii
Konstrukcja jednofazowego licznika energii przedstawiona jest na poniższym rysunku.
Licznik energii składa się z czterech głównych komponentów, a mianowicie:
Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie każdego komponentu.
System napędowy
Elektromagnes stanowi kluczowy element systemu napędowego. Funkcjonuje on jako tymczasowy magnes, aktywowany przez prąd elektryczny przepływający przez jego cewkę. Jądro tego elektromagnesu jest wykonane ze laminacji stali silikonowej.
W systemie napędowym znajdują się dwa elektromagnesy. Górny nazywany jest elektromagnesem szuntowym, a dolny elektromagnesem szeregowym.
Środkowa część magnesu wyposażona jest w pas miedziany, który można regulować. Kluczową rolą tego pasa miedzianego jest ustawienie linii indukcji magnetycznej generowanej przez magnes szuntowy w taki sposób, aby była ona idealnie prostopadła do zasilenia.
System poruszający
System poruszający obejmuje dysk aluminium zamontowany na wałku z stopu. Ten dysk jest umieszczony w powietrzu między dwoma elektromagnesami. Gdy pole magnetyczne zmienia się, w dysku indukowane są wirujące prądy. Te wirujące prądy interakują z linią indukcji magnetycznej, generując moment odchylenia.
Gdy urządzenia elektryczne pobierają moc, dysk aluminium zaczyna się obracać. Po pewnej liczbie obrotów, dysk wskazuje ilość zużytej energii elektrycznej przez obciążenie. Liczba obrotów jest liczona w określonym przedziale czasowym, a dysk mierzy zużycie mocy w kilowatogodzinach.
System hamujący
Do spowolnienia obrotu dysku aluminium stosowany jest stały magnes. Gdy dysk się obraca, indukowane są wirujące prądy. Te wirujące prądy interakują z linią indukcji magnetycznej stałego magnesu, tworząc moment hamujący.
Ten moment hamujący przeciwstawia się ruchowi dysku, zmniejszając jego prędkość obrotową. Stały magnes można regulować; poprzez przesunięcie go promieniowo, można zmodyfikować moment hamujący.
Rejestracja (mechanizm liczenia)
Podstawowym zadaniem rejestracji, lub mechanizmu liczenia, jest zapisanie liczby obrotów dysku aluminium. Obroty dysku są proporcjonalne do zużytej energii elektrycznej przez obciążenie, mierzonej w kilowatogodzinach.
Obroty dysku są przekazywane do wskazówek różnych tarcz, aby zarejestrować różne odczyty. Zużycie energii w kilowatogodzinach oblicza się mnożąc liczbę obrotów dysku przez stałą licznika. Konfiguracja tarcz przedstawiona jest na poniższym rysunku.
Zasada działania licznika energii
Licznik energii ma dysk aluminium, którego obroty są wykorzystywane do określenia zużycia mocy przez obciążenie. Ten dysk jest umieszczony w powietrzu między elektromagnesem szeregowym a elektromagnesem szuntowym. Elektromagnes szuntowy wyposażony jest w cewkę ciśnieniową, a elektromagnes szeregowy ma cewkę prądową.
Cewka ciśnieniowa generuje pole magnetyczne za sprawą napięcia zasilającego, a cewka prądowa tworzy pole magnetyczne w wyniku prądu obciążenia przepływającego przez nią.
Pole magnetyczne indukowane przez cewkę napięciową (ciśnieniową) opóźnione jest względem pola magnetycznego cewki prądowej o 90°. Ta różnica fazowa indukuje wirujące prądy w dysku aluminium. Interakcja tych wirujących prądów z połączonymi polami magnetycznymi generuje moment, który działa na dysk siłą obrotową. W konsekwencji, dysk zaczyna się obracać.
Siła obrotowa działająca na dysk jest proporcjonalna do prądu przez cewkę prądową i napięcia na cewce ciśnieniowej. Stały magnes w systemie hamującym reguluje obroty dysku. Przeciwdziała on ruchowi dysku, zapewniając, że prędkość obrotowa jest zgodna z rzeczywistym zużyciem mocy. Cyklometr (mechanizm rejestracji) następnie liczy liczbę obrotów dysku, aby scharakteryzować zużycie energii.
Teoria licznika energii
Cewka ciśnieniowa ma stosunkowo dużą liczbę zwinięć, co sprawia, że jest bardzo indukcyjna. Układ magnetyczny cewki ciśnieniowej ma ścieżkę o bardzo niskim oporze magnetycznym, dzięki krótkiej długości szczeliny powietrznej w jej strukturze magnetycznej. Prąd Ip przepływający przez cewkę ciśnieniową, napędzany napięciem zasilania, opóźniony jest względem napięcia zasilania o około 90° ze względu na wysoką indukcyjność cewki.
Prąd Ip generuje dwie linie indukcji magnetycznej, Φp, które są dalej podzielone na Φp1 i Φp2. Większa część linii indukcji Φp1 przechodzi przez boczne szczeliny ze względu na ich niski opór magnetyczny. Linia indukcji Φp2 przechodzi przez dysk i indukuje moment napędowy, który powoduje obrót dysku aluminium.
Linia indukcji Φp jest proporcjonalna do zastosowanego napięcia i opóźniona względem napięcia o kąt 90°. Ponieważ ta linia indukcji jest zmienna, indukuje wirujący prąd Iep w dysku.
Prąd obciążenia przepływający przez cewkę prądową indukuje linię indukcji Φs. Ta linia indukcji generuje wirujący prąd Ies w dysku. Wirujący prąd Ies interaktywnie działa z linią indukcji Φp, a wirujący prąd Iep interaktywnie działa z Φs, co powoduje kolejny moment. Te dwa momenty działają w przeciwnych kierunkach, a netto moment jest różnicą między nimi.
Diagram fazowy licznika energii przedstawiony jest na poniższym rysunku.
Niech
V – zastosowane napięcie
I – prąd obciążenia
∅ – kąt fazowy prądu obciążenia
Ip – kąt ciśnieniowy obciążenia
Δ – kąt fazowy między napięciem zasilania a linią indukcji cewki ciśnieniowej
f – częstotliwość
Z – impedancja wirujących prądów
∝ – kąt fazowy ścieżek wirujących prądów
Eep – wirujący prąd indukowany przez linię indukcji
Iep – wirujący prąd spowodowany linią indukcji
Eev – wirujący prąd spowodowany linią indukcji
Ies – wirujący prąd spowodowany linią indukcji
Netto moment napędowy dysku wyraża się wzorem
gdzie K1 – stała
Φ1 i Φ2 są kątami fazowymi między liniami indukcji. Dla licznika energii przyjmujemy Φp i Φs.
β – kąt fazowy między linią indukcji Φp i Φp = (Δ – Φ), więc
W stanie ustalonym, prędkość momentu napędowego jest równa momentowi hamującemu.
Prędkość obrotu jest proporcjonalna do mocy.
Trójfazowy licznik energii służy do pomiaru dużego zużycia mocy.
