Что такое энергомер и каковы его конструкция и принцип работы
Определение: Счетчик энергии - это устройство, используемое для измерения потребляемой электрической энергии нагрузкой. Электрическая энергия относится к общему количеству мощности, потребляемой и используемой нагрузкой за определенный период времени. Счетчики энергии используются в бытовых и промышленных цепях переменного тока для измерения потребления электроэнергии. Они относительно дешевы и точны.
Конструкция счетчика энергии
Конструкция однофазного счетчика энергии показана на рисунке ниже.
Счетчик энергии состоит из четырех основных компонентов, а именно:
Ниже приведено подробное объяснение каждого компонента.
Приводная система
Электромагнит служит ключевым компонентом приводной системы. Он функционирует как временный магнит, активируемый электрическим током, проходящим через его катушку. Сердечник этого электромагнита изготовлен из ламинированных пластин силиконовой стали.
В приводной системе есть два электромагнита. Верхний называется шунтирующим электромагнитом, а нижний - сериальным электромагнитом.
Центральная часть магнита оснащена медной полосой, которая регулируется. Основная роль этой медной полосы - выравнивать магнитный поток, создаваемый шунтирующим магнитом, таким образом, чтобы он был идеально перпендикулярен подаваемому напряжению.
Подвижная система
Подвижная система включает алюминиевый диск, установленный на сплавной вал. Этот диск расположен в воздушном зазоре между двумя электромагнитами. При изменении магнитного поля в диске индуцируются вихревые токи. Эти вихревые токи взаимодействуют с магнитным потоком, создавая отклоняющий момент.
Когда электрические устройства потребляют энергию, алюминиевый диск начинает вращаться. После определенного числа оборотов диск указывает количество потребленной электрической энергии. Число оборотов подсчитывается за определенный промежуток времени, и диск измеряет потребление энергии в киловатт-часах.
Тормозная система
Постоянный магнит используется для замедления вращения алюминиевого диска. При вращении диска в нем индуцируются вихревые токи. Эти вихревые токи взаимодействуют с магнитным потоком постоянного магнита, создавая тормозной момент.
Этот тормозной момент противодействует движению диска, уменьшая его скорость вращения. Постоянный магнит можно регулировать; путем радиального перемещения его можно изменить тормозной момент.
Регистрация (механизм подсчета)
Основная функция регистрационного, или счетного механизма, - записывать число оборотов алюминиевого диска. Вращение диска прямо пропорционально потребленной электрической энергии, измеряемой в киловатт-часах.
Вращение диска передается стрелкам различных циферблатов для записи различных показаний. Потребление энергии в киловатт-часах рассчитывается путем умножения числа оборотов диска на константу счетчика. Конфигурация циферблата показана на рисунке ниже.
Принцип работы счетчика энергии
Счетчик энергии имеет алюминиевый диск, вращение которого используется для определения потребления мощности нагрузкой. Этот диск расположен в воздушном зазоре между сериальным и шунтирующим электромагнитами. Шунтирующий магнит оснащен давлением катушки, а сериальный магнит - токовой катушкой.
Давление катушки генерирует магнитное поле за счет напряжения питания, а токовая катушка создает магнитное поле вследствие прохождения через нее тока нагрузки.
Магнитное поле, индуцируемое катушкой напряжения (давления), отстает от магнитного поля токовой катушки на 90°. Эта фазовая разница индуцирует вихревые токи в алюминиевом диске. Взаимодействие этих вихревых токов с комбинированными магнитными полями создает момент, который оказывает вращательную силу на диск. В результате диск начинает вращаться.
Вращательная сила, действующая на диск, пропорциональна току, проходящему через токовую катушку, и напряжению на катушке давления. Постоянный магнит в тормозной системе регулирует вращение диска. Он противодействует движению диска, обеспечивая, чтобы скорость вращения соответствовала фактическому потреблению энергии. Циклометр (регистрирующий механизм) затем считает число оборотов диска, чтобы количественно оценить использование энергии.
Теория счетчика энергии
Катушка давления имеет относительно большое количество витков, что делает ее высокоиндуктивной. Магнитный контур катушки давления имеет путь с очень низким сопротивлением благодаря малой длине воздушного зазора в ее магнитной структуре. Ток Ip, текущий через катушку давления, приводимый напряжением питания, отстает от напряжения питания примерно на 90° из-за высокой индуктивности катушки.
Ток Ip генерирует два магнитных потока, Φp, которые далее разделяются на Φp1 и Φp2. Большая часть потока Φp1 проходит через боковой зазор из-за его низкого сопротивления. Поток Φp2 проходит через диск и индуцирует вращающий момент, который заставляет алюминиевый диск вращаться.
Поток Φp пропорционален приложенному напряжению и отстает от напряжения на угол 90°. Поскольку этот поток является переменным, он индуцирует вихревой ток Iep в диске.
Ток нагрузки, текущий через токовую катушку, индуцирует поток Φs. Этот поток генерирует вихревой ток Ies в диске. Вихревой ток Ies взаимодействует с потоком Φp, а вихревой ток Iep взаимодействует с Φs, создавая еще один момент. Эти два момента действуют в противоположных направлениях, и чистый момент является разностью между ними.
Фазовая диаграмма счетчика энергии показана на рисунке ниже.
Пусть
V - приложенное напряжение
I - ток нагрузки
∅ - фазовый угол тока нагрузки
Ip - угол давления нагрузки
Δ - фазовый угол между напряжением питания и потоком катушки давления
f - частота
Z - импеданс вихревых токов
∝ - фазовый угол путей вихревых токов
Eep - вихревой ток, индуцированный потоком
Iep - вихревой ток, вызванный потоком
Eev - вихревой ток, вызванный потоком
Ies - вихревой ток, вызванный потоком
Чистый вращающий момент диска выражается как
где K1 - постоянная
Φ1 и Φ2 - фазовые углы между потоками. Для счетчика энергии мы берем Φp и Φs.
β - фазовый угол между потоками Φp и Φp = (Δ - Φ), следовательно
В установившемся состоянии скорость вращающего момента равна тормозному моменту.
Скорость вращения прямо пропорциональна мощности.
Трехфазный счетчик энергии используется для измерения большого потребления мощности.
