انواع کنتورهای انرژی و نحوه کار آنها
انرژی سنج یا وات ساعت متر یک ابزار الکتریکی است که انرژی الکتریکی مصرفی مصرف کنندگان را اندازه گیری می کند. شرکتهای برق یکی از بخشهای برق هستند که این کنتورها را در مکانهای مختلف مانند منازل، صنایع، سازمانها، ساختمانهای تجاری و غیره برای صدور صورتحساب برق مصرفی بارهایی مانند چراغ، پنکه، یخچال و سایر لوازم خانگی نصب میکنند.
واحد اصلی توان وات است که با وات متر اندازه گیری می شود. یک کیلووات معادل هزار وات است. اگر یک کیلووات در یک ساعت مصرف شود، یک واحد انرژی مصرف می شود. بنابراین، انرژی سنج ولتاژ و جریان سریع را اندازه گیری می کند، محصول آنها را محاسبه می کند و توان لحظه ای را می دهد. این توان در یک بازه زمانی ادغام می شود تا انرژی مصرف شده در آن بازه زمانی را بدهد.
انواع کنتورهای انرژی
کنتورهای انرژی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند که عبارتند از:
متر القایی الکترومکانیکی
انرژی سنج الکترونیکی
با در نظر گرفتن عوامل زیر، کنتورهای انرژی الکتریکی به دو نوع تقسیم می شوند:
نوع نمایشگر آنالوگ یا دیجیتال متر است.
انواع نقطه اندازه گیری: انتقال ثانویه، شبکه، توزیع محلی و اولیه.
کاربردهای نهایی مانند استفاده تجاری، صنعتی و خانگی
جنبه های فناوری مانند تک فاز، سه فاز، تنش بالا (HT)، کشش کم (LT) و مواد درجه دقیق.
اتصال منبع تغذیه می تواند تک فاز یا سه فاز باشد، بسته به منبع تغذیه مورد استفاده در خانه یا تاسیسات تجاری. به طور خاص در این مقاله به بررسی اصل کار یک کنتور انرژی القایی تک فاز و اصل کار یک کنتور انرژی الکترونیکی سه فاز از طریق توضیحات زیر در مورد دو کنتور پایه انرژی می پردازیم.
انرژی سنج القایی تک فاز
این شناخته شده و رایج ترین متر انرژی الکتریکی باستانی است. شامل یک دیسک دوار آلومینیومی است که روی یک دوک بین دو آهنربای الکتریکی قرار گرفته است. سرعت چرخش دیسک مستقیماً متناسب با قدرت است که از طریق قطار دنده و مکانیسم شمارش یکپارچه می شود. این شامل دو آهنربا الکترومغناطیس چند لایه فولادی سیلیکونی است که به صورت موازی و سری به هم متصل شده اند.
یک آهنربای سری دارای یک سیم پیچ با چندین دور سیم ضخیم است که به صورت سری به مدار متصل شده اند، در حالی که یک آهنربای موازی دارای یک سیم پیچ با چندین دور سیم نازک است که به یک منبع تغذیه متصل است.
آهنربای ترمز یک آهنربای دائمی است که نیرویی را اعمال می کند که با چرخش معمولی دیسک مخالفت می کند، دیسک را به حالت تعادل می برد و هنگام قطع برق دیسک را متوقف می کند.
آهنرباهایی که به صورت سری متصل می شوند، شار مغناطیسی متناسب با جریان جریان تولید می کنند و آهنرباهایی که به صورت موازی متصل هستند، شار مغناطیسی متناسب با ولتاژ تولید می کنند. به دلیل خواص القایی، این دو شار 90 درجه تاخیر دارند. تقاطع این دو میدان با استفاده از نیرویی متناسب با حاصل ضرب ولتاژ لحظه ای، جریان و زاویه فاز بین آنها، جریان های گردابی را در دیسک ایجاد می کند. آهنرباهای ترمز در یک طرف دیسک ترمز قرار می گیرند و با استفاده از یک میدان مغناطیسی ثابت که توسط آهنرباهای دائمی ایجاد می شود، گشتاور ترمز را روی دیسک ترمز ایجاد می کنند. هنگامی که گشتاور ترمز و رانندگی برابر باشند، سرعت دیسک ترمز ثابت می شود.
محور یا دوک عمودی دیسک آلومینیومی با مکانیزم چرخ دنده ای مرتبط است که عددی متناسب با تعداد دورهای دیسک ثبت می کند. این مکانیزم چرخ دنده یک سری اعداد را در یک صفحه تنظیم می کند و میزان انرژی مصرف شده در طول زمان را نشان می دهد.
این نوع کنتور انرژی الکتریکی ساختار ساده ای دارد، اما دقت آن به دلیل تأثیر میدان های خارجی مانند خزش کمی ضعیف است. مشکل اصلی این نوع کنتورهای انرژی این است که مستعد دستکاری هستند که نیاز به سیستم پایش انرژی را ضروری می کند. این مترهای سری و اسپلیت متر در مصارف خانگی و صنعتی کاربرد فراوانی دارند.
در مقایسه با انرژی سنج های القایی الکترومکانیکی، کنتورهای انرژی الکترونیکی ابزار اندازه گیری دقیق، دقیق و قابل اعتمادی هستند. هنگامی که به یک بار متصل می شوند، انرژی کمتری مصرف می کنند و بلافاصله شروع به اندازه گیری می کنند. در ادامه به تشریح انرژی سنج سه فاز الکترونیکی و اصل کار آن می پردازیم.
انرژی سنج الکترونیکی سه فاز
این کنتور قادر به انجام اندازه گیری جریان، ولتاژ و توان در سیستم های تغذیه سه فاز می باشد. با استفاده از این سه فاز متر می توان ولتاژ و جریان بالا را نیز با استفاده از سنسورهای مناسب اندازه گیری کرد. یکی از انواع کنتورهای انرژی سه فاز در زیر نشان داده شده است (به عنوان مثال) که اندازه گیری مطمئن و دقیق انرژی را در مقایسه با کنتورهای الکترومکانیکی تضمین می کند.
برای جمع آوری و پردازش پارامترهای ولتاژ و جریان ورودی، از آی سی اندازه گیری توان تک فاز AD7755 استفاده می کند. حسگرهایی مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ و جریان برای کاهش درجه بندی ولتاژ و جریان خطوط برق به سطوح سیگنال و ارائه آنها به آی سی همانطور که در شکل نشان داده شده است استفاده می شود. این سیگنال ها نمونه برداری می شوند و به سیگنال های دیجیتال تبدیل می شوند که برای بدست آوردن توان لحظه ای با یکدیگر ضرب می شوند. سپس این خروجی های دیجیتال به فرکانس هایی تبدیل می شوند تا شمارنده های الکترومکانیکی را هدایت کنند. فرکانس پالس های خروجی متناسب با توان لحظه ای است و (در یک بازه زمانی معین) انرژی تعداد مشخصی از پالس ها را به بار می رساند.
میکروکنترلر ورودی هر سه آی سی اندازه گیری توان را برای اندازه گیری برق سه فاز می پذیرد و با انجام کلیه عملیات لازم مانند ذخیره و بازیابی داده ها از EEPROM، کارکرد کنتور با استفاده از دکمه ها برای مشاهده مصرف انرژی، به عنوان کنترل کننده سیستم عمل می کند. مغز، فاز را کالیبره می کند و خوانش ها را پاک می کند. و همچنین صفحه نمایش را با استفاده از آی سی رمزگشا هدایت می کند.
تاکنون با کنتورهای انرژی و نحوه کارکرد آن ها آشنا شده ایم. برای درک عمیق تر مفهوم، توضیحات زیر در مورد انرژی سنج جزئیات کامل مدار و اتصال آن را با استفاده از یک میکروکنترلر ارائه می دهد.
مدار انرژی سنج با استفاده از میکروکنترلر:
شکل زیر مدار کنتور برق اجرا شده با میکروکنترلر Atmel AVR را نشان می دهد. این مدار به طور مداوم پارامترهای ولتاژ و جریان منبع تغذیه تکفاز شبکه را کنترل و به دست می آورد. میکروکنترلر این مقادیر پارامتر را از مدار تهویه سیگنال دریافت می کند که توسط یک آی سی تقویت کننده عملیاتی هدایت می شود.
این مدار دارای دو ترانسفورماتور جریان به صورت سری با هر خط برق است: فاز و نول. مقادیر جریان از این ترانسفورماتورها به ADC مربوطه میکروکنترلر ارسال می شود و سپس ADC این مقادیر را به مقادیر دیجیتال تبدیل می کند و از این رو میکروکنترلر محاسبات لازم را برای یافتن مصرف انرژی انجام می دهد. میکروکنترلر با ضرب و ادغام مقادیر ولتاژ و جریان از ADC در یک دوره زمانی مشخص و هدایت مکانیسم شمارنده بر این اساس برای نمایش تعداد واحدهای مصرف شده (KW) در یک دوره زمانی برنامه ریزی می شود.
این سیستم علاوه بر اندازهگیری انرژی، نشاندهنده خطای زمین در صورت بروز هر گونه خطا یا جریان اضافه که ممکن است در هادی خنثی یا زمین رخ دهد را نیز ارائه میکند و نشانگر LED را به طور مناسب برای تشخیص خطای زمین و همچنین مصرف در واحد روشن میکند.
