Що таке енергетичний лічильник та які є його конструкція та принцип роботи
Визначення: Енергетичний лічильник - це пристрій, використовуваний для виміру електричної енергії, споживаної електричним навантаженням. Під електричною енергією розуміється загальна потужність, споживана та використовувана навантаженням протягом певного періоду часу. Енергетичні лічильники використовуються в домашніх та промислових мережах змінного струму для виміру споживання електроенергії. Вони є відносно дешевими та точними.
Конструкція енергетичного лічильника
Конструкція однофазного енергетичного лічильника показана на нижньому малюнку.
Енергетичний лічильник складається з чотирьох основних компонентів, а саме:
Нижче надано детальне пояснення кожного компонента.
Привідна система
Електромагніт є ключовим компонентом привідної системи. Він функціонує як тимчасовий магніт, активований електричним струмом, що проходить через його катушку. Сердцевина цього електромагніта виготовлена з ламель силиконової сталі.
У привідній системі є два електромагніти. Верхній називається шунт-електромагнітом, а нижній - серійним електромагнітом.
Центральна частина магніта обладнана медною стрічкою, яка регулюється. Основна роль цієї медної стрічки полягає у вирівнюванні магнітного потоку, створеного шунт-магнітом, таким чином, щоб він був абсолютно перпендикулярним до прикладеної напруги.
Рухова система
Рухова система має алюмінієву диск, монтувану на валу з сплаву. Цей диск розташований у повітряному проміжку між двома електромагнітами. Зміна магнітного поля викликає вихрові струми в диску. Ці вихрові струми взаємодіють з магнітним потоком, створюючи відхиляючий момент.
Коли електричні пристрої витягують енергію, алюмінієвий диск починає обертатися. Після певної кількості обертів диск показує кількість електричної енергії, спожитої навантаженням. Кількість обертів враховується за певний період часу, і диск вимірює споживання енергії в кіловатт-годинах.
Система гальмування
Постійний магніт використовується для зменшення швидкості обертання алюмінієвого диску. Коли диск обертається, він викликає вихрові струми. Ці вихрові струми взаємодіють з магнітним потоком постійного магніта, створюючи гальмуючий момент.
Цей гальмуючий момент протистоїть руху диску, зменшуючи його обертову швидкість. Постійний магніт можна регулювати; переміщуючи його радіально, можна змінювати гальмуючий момент.
Реєстрація (механізм підрахунку)
Основна функція реєстрації, або механізму підрахунку, полягає у запису кількості обертів алюмінієвого диску. Оберти диску прямо пропорційні електричній енергії, спожитої навантаженням, виміряній в кіловатт-годинах.
Оберти диску передаються на стрілки різних циферблатів для запису різних показників. Споживання енергії в кіловатт-годинах розраховується множенням кількості обертів диску на константу лічильника. Конфігурація циферблата показана на нижньому малюнку.
Принцип роботи енергетичного лічильника
Енергетичний лічильник має алюмінієвий диск, обертання якого використовується для визначення споживання енергії навантаження. Цей диск розташований у повітряному проміжку між серійним електромагнітом та шунт-електромагнітом. Шунт-магніт оснащений катушкою напруги, а серійний магніт - катушкою струму.
Катушка напруги створює магнітне поле завдяки напругі живлення, а катушка струму створює магнітне поле в результаті проходження струму навантаження.
Магнітне поле, індуковане катушкою напруги, відстає від магнітного поля катушки струму на 90°. Ця фазова різниця викликає вихрові струми в алюмінієвому диску. Взаємодія цих вихрових струмів з сумісним магнітним полем створює момент, який прикладає обертову силу до диску. На зразок, диск починає обертатися.
Обертовий момент, що діє на диск, пропорційний струму, що проходить через катушку струму, та напругі, що прикладена до катушки напруги. Постійний магніт в системі гальмування регулює обертання диску. Він протистоїть руху диску, забезпечуючи, щоб обертові швидкості відповідали фактичному споживанню енергії. Циклометр (механізм підрахунку) потім підраховує кількість обертів диску для кількісного визначення використання енергії.
Теорія енергетичного лічильника
Катушка напруги має відносно велику кількість витків, що робить її високо індуктивною. Магнітна колія катушки напруги має дуже низьку опірність завдяки невеликій довзільній довжині в її магнітній структурі. Струм Ip що проходить через катушку напруги, запущений напругою живлення, відстає від напруги живлення приблизно на 90° через високу індуктивність катушки.
Струм Ip створює два магнітних потоки, Φp, який поділяється на Φp1 та Φp2. Велика частина потоку Φp1 проходить через бічну щілину через її низьку опірність. Потік Φp2 проходить через диск і індукує привідний момент, що призводить до обертання алюмінієвого диску.
Потік Φp пропорційний прикладеній напрузі та відстає від напруги на кут 90°. Оскільки цей потік є альтернативним, він індукує вихровий струм Iep в диску.
Струм навантаження, що проходить через катушку струму, індукує потік Φs. Цей потік генерує вихровий струм Ies в диску. Вихровий струм Ies взаємодіє з потоком Φp, а вихровий струм Iep взаємодіє з Φs, що призводить до іншого моменту. Ці два моменти діють в протилежних напрямках, і загальний момент є різницею між ними.
Фазова діаграма енергетичного лічильника показана на нижньому малюнку.
Нехай
V - прикладена напруга
I - струм навантаження
∅ - фазовий кут струму навантаження
Ip - фазовий кут струму навантаження
Δ - фазовий кут між напругою живлення та потоком катушки напруги
f - частота
Z - імпеданс вихрового струму
∝ - фазовий кут шляхів вихрового струму
Eep - вихровий струм, індукований потоком
Iep - вихровий струм через потік
Eev - вихровий струм через потік
Ies - вихровий струм через потік
Загальний привідний момент диску виражається як
де K1 - стала
Φ1 та Φ2 є фазові кути між потоками. Для енергетичного лічильника ми беремо Φp та Φs.
β - фазовий кут між потоками Φp та Φp = (Δ - Φ), отже
В стаціонарному стані швидкість привідного моменту дорівнює швидкості гальмуючого моменту.
Швидкість обертання прямо пропорційна потужності.
Трьохфазний енергетичний лічильник використовується для виміру великого споживання енергії.
