Đồng hồ đo năng lượng là gì và nguyên lý làm việc của nó như thế nào?

Định nghĩa: Đồng hồ đo năng lượng là thiết bị được sử dụng để đo năng lượng điện tiêu thụ bởi tải điện. Năng lượng điện đề cập đến tổng công suất tiêu thụ và sử dụng bởi tải trong một khoảng thời gian cụ thể. Đồng hồ đo năng lượng được sử dụng trong các mạch AC gia đình và công nghiệp để đo công suất tiêu thụ. Chúng tương đối rẻ và chính xác.

Cấu tạo của Đồng hồ Đo Năng lượng
Cấu tạo của đồng hồ đo năng lượng một pha được hiển thị trong hình dưới đây. 

Đồng hồ đo năng lượng bao gồm bốn thành phần chính, cụ thể:

• Hệ thống Truyền động

• Hệ thống Di chuyển

• Hệ thống Phanh

• Hệ thống Ghi số

Một giải thích chi tiết về từng thành phần được cung cấp dưới đây.

Hệ thống Truyền động

Từ điện đóng vai trò là thành phần cốt lõi của hệ thống truyền động. Nó hoạt động như một nam châm tạm thời, được kích hoạt bởi dòng điện đi qua cuộn dây của nó. Lõi của từ điện này được làm từ thép silic dập mỏng.

Trong hệ thống truyền động, có hai từ điện. Từ điện trên được gọi là từ điện shunt, trong khi từ điện dưới được gọi là từ điện series.

• Từ điện series được kích thích bởi dòng điện tải đi qua cuộn dây dòng điện.

• Cuộn dây của từ điện shunt được kết nối trực tiếp với nguồn điện, do đó nó mang dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp shunt. Cuộn dây này còn được gọi là cuộn dây áp lực.

Cánh tay trung tâm của từ điện được trang bị một dải đồng, có thể điều chỉnh. Vai trò chính của dải đồng này là căn chỉnh dòng từ trường do từ điện shunt tạo ra theo cách hoàn toàn vuông góc với điện áp cung cấp.

Hệ thống Di chuyển

Hệ thống di chuyển có đĩa nhôm được gắn trên trục hợp kim. Đĩa này được đặt trong khe không khí giữa hai từ điện. Khi từ trường thay đổi, dòng cảm ứng được tạo ra trong đĩa. Các dòng cảm ứng này tương tác với dòng từ trường, tạo ra mô-men xoắn lệch.

Khi các thiết bị điện tiêu thụ điện, đĩa nhôm bắt đầu quay. Sau một số lần quay nhất định, đĩa chỉ ra lượng năng lượng điện tiêu thụ bởi tải. Số lần quay được đếm trong một khoảng thời gian cụ thể, và đĩa đo công suất tiêu thụ theo kilowatt-giờ.

Hệ thống Phanh

Một nam châm vĩnh cửu được sử dụng để làm chậm sự quay của đĩa nhôm. Khi đĩa quay, nó tạo ra dòng cảm ứng. Các dòng cảm ứng này tương tác với dòng từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo ra mô-men xoắn phanh.

Mô-men xoắn phanh này chống lại chuyển động của đĩa, giảm tốc độ quay của nó. Nam châm vĩnh cửu có thể điều chỉnh; bằng cách dịch chuyển nó theo hướng bán kính, mô-men xoắn phanh có thể được thay đổi.

Hệ thống Ghi số (Máy đếm)

Chức năng chính của hệ thống ghi số, hoặc máy đếm, là ghi lại số lần quay của đĩa nhôm. Sự quay của đĩa tỉ lệ thuận với lượng năng lượng điện tiêu thụ bởi tải, đo theo kilowatt-giờ.

Sự quay của đĩa được truyền đến các con trỏ của các mặt số khác nhau để ghi lại các đọc số khác nhau. Tiêu thụ năng lượng theo kilowatt-giờ được tính bằng cách nhân số lần quay của đĩa với hằng số của đồng hồ. Cấu hình mặt số được hiển thị trong hình dưới đây.

Nguyên lý Làm việc của Đồng hồ Đo Năng lượng

Đồng hồ đo năng lượng có đĩa nhôm, sự quay của đĩa được sử dụng để xác định công suất tiêu thụ của tải. Đĩa này được đặt trong khe không khí giữa từ điện series và từ điện shunt. Từ điện shunt được trang bị cuộn dây áp lực, trong khi từ điện series có cuộn dây dòng điện.

Cuộn dây áp lực tạo ra từ trường do điện áp cung cấp, và cuộn dây dòng điện tạo ra từ trường do dòng điện tải đi qua nó.

Từ trường do cuộn dây điện áp (áp lực) tạo ra chậm hơn từ trường của cuộn dây dòng điện 90°. Sự sai lệch pha này tạo ra dòng cảm ứng trong đĩa nhôm. Sự tương tác giữa các dòng cảm ứng này và từ trường tổng hợp tạo ra mô-men xoắn, gây ra lực xoắn trên đĩa. Do đó, đĩa bắt đầu quay.

Lực xoắn tác dụng lên đĩa tỉ lệ thuận với dòng điện qua cuộn dây dòng điện và điện áp qua cuộn dây áp lực. Nam châm vĩnh cửu trong hệ thống phanh điều chỉnh sự quay của đĩa. Nó chống lại sự di chuyển của đĩa, đảm bảo tốc độ quay phù hợp với công suất tiêu thụ thực tế. Một máy đếm vòng quay (hệ thống ghi số) sau đó đếm số lần quay của đĩa để định lượng mức tiêu thụ năng lượng.

Lý thuyết về Đồng hồ Đo Năng lượng

Cuộn dây áp lực có số vòng lớn, làm cho nó rất cảm ứng. Mạch từ của cuộn dây áp lực có đường dẫn từ từ rất thấp, nhờ vào chiều dài khe không khí nhỏ trong cấu trúc từ của nó. Dòng điện I_p chảy qua cuộn dây áp lực, được kích thích bởi điện áp cung cấp, chậm hơn điện áp cung cấp khoảng 90° do độ cảm ứng cao của cuộn dây.

Dòng điện I_p tạo ra hai dòng từ trường, Φ_p, được phân chia thành Φ_p1 và Φ_p2. Phần lớn dòng từ trường Φ_p1 đi qua khe bên do độ kháng từ thấp. Dòng từ trường Φ_p2 đi qua đĩa và tạo ra mô-men xoắn khiến đĩa nhôm quay.

Dòng từ trường Φ_p tỉ lệ thuận với điện áp áp dụng và chậm hơn điện áp 90°. Vì dòng từ trường này thay đổi, nó tạo ra dòng cảm ứng I_ep trong đĩa.

Dòng điện tải chảy qua cuộn dây dòng điện tạo ra dòng từ trường Φ_s. Dòng từ trường này tạo ra dòng cảm ứng I_es trong đĩa. Dòng cảm ứng I_es tương tác với dòng từ trường Φ_p, và dòng cảm ứng I_ep tương tác với Φ_s, tạo ra một mô-men xoắn khác. Hai mô-men xoắn này tác dụng theo các hướng ngược nhau, và mô-men xoắn ròng là sự khác biệt giữa chúng.

Bản đồ vectơ của đồng hồ đo năng lượng được hiển thị trong hình dưới đây.

Đặt
V – điện áp áp dụng
I – dòng điện tải
∅ – góc pha của dòng điện tải
I_p – góc áp lực của tải
Δ – góc pha giữa điện áp cung cấp và dòng từ trường cuộn dây áp lực
f – tần số
Z – trở kháng của dòng cảm ứng
∝ – góc pha của đường đi dòng cảm ứng
E_ep – dòng cảm ứng do dòng từ trường
I_ep – dòng cảm ứng do dòng từ trường
E_ev – dòng cảm ứng do dòng từ trường
I_es – dòng cảm ứng do dòng từ trường

Mô-men xoắn ròng của đĩa được biểu diễn như sau

trong đó K₁ – hằng số

Φ₁ và Φ₂ là góc pha giữa các dòng từ trường. Đối với đồng hồ đo năng lượng, chúng ta lấy Φ_p và Φ_s.

β – góc pha giữa các dòng từ trường Φ_p và Φ_p = (Δ – Φ), do đó

Ở trạng thái ổn định, tốc độ của mô-men xoắn truyền động bằng mô-men xoắn phanh.

Tốc độ quay tỉ lệ thuận với công suất.

Đồng hồ đo năng lượng ba pha được sử dụng để đo tiêu thụ công suất lớn.