Vad är en energiräknare och vilka är dess konstruktions- och fungeringsprinciper
Definition: Energiaväxeln är en enhet som används för att mäta den elektriska energi som konsumeras av en elektrisk belastning. Elektrisk energi hänvisar till den totala effekt som konsumeras och utnyttjas av en belastning under en specifik tidsperiod. Energiavxlare används i både hem- och industriella växelströmskretsar för att mäta energiförbrukningen. De är relativt billiga och noggranna.
Konstruktion av en Energiavväxling
Konstruktionen av en enfas-energiavväxling visas i figuren nedan.
Energiavväxlingen består av fyra huvudkomponenter, nämligen:
En detaljerad förklaring av varje komponent ges nedan.
Drivsystem
Elektromagneterna fungerar som kärnkomponenter i drivsystemet. De fungerar som temporära magneter, aktiverade av ström som passerar genom deras spolar. Kärnan av dessa elektromagneter är tillverkad av siliciumstålplåtar.
I drivsystemet finns det två elektromagneter. Den övre kallas shunt-elektromagnet, medan den nedre kallas serie-elektromagnet.
Magnetens centrala gren är utrustad med en justerbar kopparband. Det viktigaste rollen för detta kopparband är att justera magnetflödet från shuntmagneten så att det blir perfekt vinkelrätt mot den tillförsedda spänningen.
Rörelsesystem
Rörelsesystemet innehåller en aluminiumskiva monterad på en legerskakel. Denna skiva placeras i luftgapet mellan de två elektromagneter. När magnetfältet ändras induceras virvlande strömmar i skivan. Dessa virvlande strömmar interagerar med magnetflödet, vilket genererar ett avvikande moment.
När elektriska enheter drar ström börjar aluminiumskivan rotera. Efter ett visst antal rotationer indikerar skivan mängden elektrisk energi som konsumerats av belastningen. Antalet rotationer räknas över en specifik tidsintervall, och skivan mäter effektförbrukningen i kilowatttimmar.
Bromssystem
En permanent magnet används för att sänka rotationen av aluminiumskivan. När skivan roterar induceras virvlande strömmar. Dessa virvlande strömmar interagerar med magnetflödet från den permanenta magneten, vilket skapar ett bromsmoment.
Detta bromsmoment motsätter sig skivans rörelse, vilket minskar dess rotationshastighet. Den permanenta magneten är justerbar; genom att flytta den radiellt kan bromsmomentet modifieras.
Registrering (Räkningsmekanism)
Huvudfunktionen för registrering, eller räkningsmekanism, är att registrera antalet rotationer av aluminiumskivan. Skivans rotation är direkt proportionell mot den elektriska energi som konsumerats av belastningen, mätt i kilowatttimmar.
Skivans rotation överförs till pekararna på olika skal för att registrera olika läsningar. Effektförbrukningen i kilowatttimmar beräknas genom att multiplicera antalet skivrotationer med mätarns konstant. Skaluppsättningen visas i figuren nedan.
Arbetsprincip för Energiavväxling
En energimätare har en aluminiumskiva, vars rotation används för att fastställa belastningens effektförbrukning. Denna skiva placeras i luftgapet mellan seriemagneten och shuntmagneten. Shuntmagneten är utrustad med en trycksol, medan seriemagneten har en strömsol.
Trycksolet genererar ett magnetfält på grund av nätspänningen, och strömsolen producerar ett magnetfält som ett resultat av lastströmmen som passerar genom den.
Magnetfältet inducerat av spänningssolen (trycksolen) ligger 90° efter magnetfältet av strömsolen. Denna fasförskjutning inducerar virvlande strömmar i aluminiumskivan. Interaktionen mellan dessa virvlande strömmar och det kombinerade magnetfältet genererar ett moment, som utövar en rotationskraft på skivan. Därför börjar skivan rotera.
Den rotationskraft som verkar på skivan är proportionell mot strömmen genom strömsolen och spänningen över trycksolet. Den permanenta magneten i bromssystemet reglerar skivans rotation. Den motsätter sig skivans rörelse, vilket säkerställer att rotationshastigheten stämmer överens med den faktiska effektförbrukningen. En cyklometer (registreringsmekanism) räknar sedan antalet rotationer av skivan för att kvantifiera energianvändningen.
Teori för Energiavväxling
Trycksolet har ett relativt stort antal vindningar, vilket gör det mycket induktivt. Magnetkretsen i trycksolet har en mycket låg motståndsström, tack vare den korta luftgaplängden i dess magnetiska struktur. Strömmen Ip som passerar genom trycksolet, drivet av nätspänningen, ligger 90° efter nätspänningen på grund av solets höga induktivitet.
Strömmen Ip genererar två magnetflöden, Φp, vilket delas upp i Φp1 och Φp2. En stor del av fluxen Φp1 passerar genom sidogapet på grund av dess låga motståndsström. Fluxen Φp2 reser sig genom skivan och inducerar ett drivmoment som orsakar att aluminiumskivan roterar.
Fluxen Φp är proportionell mot den tillämpade spänningen och ligger 90° efter spänningen. Eftersom denna flux är alternerande inducerar den virvlande strömmar Iep i skivan.
Lastströmmen som passerar genom strömsolen inducerar en flux Φs. Denna flux genererar virvlande strömmar Ies i skivan. Virvlande strömmen Ies interagerar med fluxen Φp, och virvlande strömmen Iep interagerar med Φs, vilket resulterar i ett annat moment. Dessa två moment verkar i motsatta riktningar, och det netto-momentet är skillnaden mellan dem.
Fasordiagrammet för energimätaren visas i figuren nedan.
Låt
V – tillämpad spänning
I – lastström
∅ – fasvinkeln för lastström
Ip – tryckvinkel för last
Δ – fasvinkeln mellan nätspänningen och trycksolets flux
f – frekvens
Z – impedansen för virvlande strömmar
∝ – fasvinkeln för virvlande strömmars banor
Eep – virvlande strömmar inducerade av flux
Iep – virvlande strömmar på grund av flux
Eev – virvlande strömmar på grund av flux
Ies – virvlande strömmar på grund av flux
Det netto-drivmomentet för skivan uttrycks som
där K1 – konstant
Φ1 och Φ2 är fasvinkeln mellan fluxerna. För energimätaren tar vi Φp och Φs.
β – fasvinkeln mellan fluxerna Φp och Φp = (Δ – Φ), därför
I jämvikt är hastigheten av drivmomentet lika med bromsmomentet.
Rotationshastigheten är direkt proportionell mot effekten.
Trefasig energimätare används för att mäta stora effektförbrukningar.
