O que é um medidor de energia e qual é seu princípio de funcionamento e construção?
Definição: Um medidor de energia é um dispositivo usado para medir a energia elétrica consumida por uma carga elétrica. Energia elétrica refere-se ao poder total consumido e utilizado por uma carga durante um período específico de tempo. Os medidores de energia são usados em circuitos AC domésticos e industriais para medir o consumo de energia. Eles são relativamente baratos e precisos.
Construção de um Medidor de Energia
A construção de um medidor de energia monofásico é mostrada na figura abaixo.
O medidor de energia consiste em quatro componentes principais, a saber:
Uma explicação detalhada de cada componente é fornecida abaixo.
Sistema de Propulsão
O eletroímã serve como o componente central do sistema de propulsão. Ele funciona como um ímã temporário, ativado pela corrente elétrica que passa por sua bobina. O núcleo deste eletroímã é construído a partir de lâminas de aço silício.
Dentro do sistema de propulsão, existem dois eletroímãs. O superior é referido como o eletroímã de derivação, enquanto o inferior é conhecido como o eletroímã em série.
O membro central do ímã é equipado com uma faixa de cobre, que é ajustável. O papel principal desta faixa de cobre é alinhar o fluxo magnético gerado pelo ímã de derivação de forma que fique perfeitamente perpendicular à tensão fornecida.
Sistema de Movimento
O sistema de movimento apresenta um disco de alumínio montado em um eixo de liga. Este disco é posicionado no espaço aéreo entre os dois eletroímãs. À medida que o campo magnético muda, correntes parasitas são induzidas no disco. Essas correntes parasitas interagem com o fluxo magnético, gerando um torque de deflexão.
Quando dispositivos elétricos consomem energia, o disco de alumínio começa a girar. Após um certo número de rotações, o disco indica a quantidade de energia elétrica consumida pela carga. O número de rotações é contado em um intervalo de tempo específico, e o disco mede o consumo de energia em quilowatts-hora.
Sistema de Freio
Um ímã permanente é usado para reduzir a rotação do disco de alumínio. Conforme o disco gira, ele induz correntes parasitas. Essas correntes parasitas interagem com o fluxo magnético do ímã permanente, criando um torque de freio.
Este torque de freio opõe-se ao movimento do disco, reduzindo sua velocidade de rotação. O ímã permanente é ajustável; repositionando-o radialmente, o torque de freio pode ser modificado.
Registro (Mecanismo de Contagem)
A função principal do registro, ou mecanismo de contagem, é registrar o número de rotações do disco de alumínio. A rotação do disco é diretamente proporcional à energia elétrica consumida pela carga, medida em quilowatts-hora.
A rotação do disco é transmitida aos ponteiros de vários mostradores para registrar diferentes leituras. O consumo de energia em quilowatts-hora é calculado multiplicando o número de rotações do disco pela constante do medidor. A configuração do mostrador é mostrada na figura abaixo.
Princípio de Funcionamento do Medidor de Energia
Um medidor de energia possui um disco de alumínio, cuja rotação é usada para determinar o consumo de energia da carga. Este disco é posicionado no espaço aéreo entre o eletroímã em série e o eletroímã de derivação. O ímã de derivação é equipado com uma bobina de pressão, enquanto o ímã em série tem uma bobina de corrente.
A bobina de pressão gera um campo magnético devido à tensão de alimentação, e a bobina de corrente produz um campo magnético como resultado da corrente de carga que passa por ela.
O campo magnético induzido pela bobina de tensão (de pressão) atrasa o campo magnético da bobina de corrente em 90º. Esta diferença de fase induz correntes parasitas no disco de alumínio. A interação entre essas correntes parasitas e os campos magnéticos combinados gera um torque, que exerce uma força rotacional no disco. Consequentemente, o disco começa a girar.
A força rotacional atuando no disco é proporcional à corrente através da bobina de corrente e à tensão sobre a bobina de pressão. O ímã permanente no sistema de freio regula a rotação do disco. Ele opõe-se ao movimento do disco, garantindo que a velocidade de rotação esteja alinhada com o consumo real de energia. Um ciclômetro (mecanismo de registro) então conta o número de rotações do disco para quantificar o uso de energia.
Teoria do Medidor de Energia
A bobina de pressão tem um número relativamente grande de voltas, tornando-a altamente indutiva. O circuito magnético da bobina de pressão tem um caminho de relutância muito baixa, graças ao comprimento pequeno do espaço aéreo em sua estrutura magnética. A corrente Ip que flui através da bobina de pressão, impulsionada pela tensão de alimentação, atrasa a tensão de alimentação em aproximadamente 90º devido à alta indutância da bobina.
A corrente Ip gera dois fluxos magnéticos, Φp, que é dividido em Φp1 e Φp2. Uma parte significativa do fluxo Φp1 passa através da abertura lateral devido à sua baixa relutância. O fluxo Φp2 viaja através do disco e induz um torque de propulsão que faz o disco de alumínio girar.
O fluxo Φp é proporcional à tensão aplicada e atrasa a tensão por um ângulo de 90º. Como este fluxo é alternado, ele induz uma corrente parasita Iep no disco.
A corrente de carga que flui através da bobina de corrente induz um fluxo Φs. Este fluxo gera uma corrente parasita Ies no disco. A corrente parasita Ies interage com o fluxo Φp, e a corrente parasita Iep interage com Φs, resultando em outro torque. Estes dois torques atuam em direções opostas, e o torque líquido é a diferença entre eles.
O diagrama fasorial do medidor de energia é mostrado na figura abaixo.
Seja
V – tensão aplicada
I – corrente de carga
∅ – o ângulo de fase da corrente de carga
Ip – ângulo de pressão da carga
Δ – o ângulo de fase entre a tensão de alimentação e o fluxo da bobina de pressão
f – frequência
Z – impedância da corrente parasita
∝ – o ângulo de fase dos caminhos de corrente parasita
Eep – corrente parasita induzida pelo fluxo
Iep – corrente parasita devido ao fluxo
Eev – corrente parasita devido ao fluxo
Ies – corrente parasita devido ao fluxo
O torque de propulsão líquido do disco é expresso como
onde K1 – constante
Φ1 e Φ2 são os ângulos de fase entre os fluxos. Para o medidor de energia, consideramos Φp e Φs.
β – ângulo de fase entre os fluxos Φp e Φp = (Δ – Φ), portanto
No estado estacionário, a velocidade do torque de propulsão é igual ao torque de freio.
A velocidade da rotação é diretamente proporcional ao poder.
O medidor de energia trifásico é usado para medir o consumo de energia elevado.
