GE Watthour Meter
Измерение мощности в цепях переменного тока может быть довольно сложным, чем с цепями постоянного тока по той простой причине, что фазовый сдвиг усложняет вопрос за счет умножения напряжения на текущие значения, полученные с помощью счетчиков.
Нужен инструмент, способный определять продукт (умножение) мгновенного напряжения и тока. К счастью, общее электродинамическое движение с его неподвижной и движущейся катушкой прекрасно справляется с этим.
Трехфазное измерение мощности может быть выполнено с использованием двух динамических движений с общим валом, соединяющим две движущиеся катушки, так, чтобы один указатель регистрировал мощность на шкале перемещений измерителя. Это, очевидно, делает довольно дорогостоящий и сложный механизм движения, но это приемлемое решение.
Изобретательный метод получения электронного измерителя мощности (тот, который генерирует электрический сигнал, представляющий мощность в системе, а не просто перемещающий указатель) основан на эффекте Холла.
Эффект Холла - необычный эффект, впервые замеченный EH Hall в 1879 году, когда напряжение генерируется вдоль ширины токопроводящего проводника, подверженного перпендикулярному магнитному полю: (рис. 1).
Рисунок 1 - Эффект Холла: Напряжение пропорционально току и прочности перпендикулярного магнитного поля.
Напряжение, генерируемое по ширине плоского прямоугольного проводника, прямо пропорционально как величине тока через него, так и напряженности магнитного поля. Математически это произведение (умножение) этих двух переменных.
Узнайте больше об использовании эффекта Холла, впервые обнаруженного Эдвином Холом в 1879 году.
Количество «Холла», созданного для любого заданного набора условий, также зависит от типа материала, используемого для плоского прямоугольного проводника. Было обнаружено, что специально подготовленные «полупроводниковые» материалы создают большее напряжение Холла, чем металлы, и поэтому из них сделаны современные приборы Hall Effect.
Имеет смысл тогда, что если бы мы построили устройство с использованием датчика эффекта Холла, где ток через проводник подталкивался от напряжения переменного тока от внешней цепи, а магнитное поле настраивалось парой или проволочными катушками, подпитанными током цепи питания переменного тока, напряжение Холла будет находиться в прямой зависимости от кратного тока и напряжения цепи.
Не имея массы для перемещения (в отличие от электромеханического движения), это устройство может обеспечить мгновенное измерение мощности: (Рисунок 2)
Рисунок 2 - Датчик мощности эффекта Холла измеряет мгновенную мощность.
Мало того, что выходное напряжение устройства эффекта Холла будет представлять мгновенную мощность в любой момент времени, но это будет также сигнал постоянного тока! Это связано с тем, что полярность поля Холла зависит как от полярности магнитного поля, так и от направления тока через проводник.
Если и направление тока, и полярность магнитного поля меняются, так как это будет полуцикл мощности переменного тока, полярность выходного напряжения останется неизменной.
Если напряжение и ток в цепи питания 90o не соответствуют фазе (коэффициент мощности, равный нулю, что означает отсутствие реальной мощности для нагрузки), альтернативные пики тока Холла и магнитного поля никогда не будут совпадать друг с другом: когда один на своем пике другой будет равен нулю. В эти моменты времени выходное напряжение Холла будет равно нулю, являясь продуктом (умножением) силы тока и магнитного поля. Между этими точками во времени выходное напряжение Холла будет колебаться равномерно между положительным и отрицательным, генерируя сигнал, соответствующий мгновенному поглощению и высвобождению мощности через реактивную нагрузку.
Выходное напряжение сети постоянного тока будет равно нулю, что указывает на нулевую истинную мощность в цепи. Любой сдвиг фазы между напряжением и током в силовой цепи меньше 90o приведет к выходному напряжению Холла, которое колеблется между положительным и отрицательным, но тратит больше времени положительного, чем отрицательное. Следовательно, будет постоянное выходное напряжение постоянного тока.
Усредненное через схему фильтра нижних частот, это сетевое напряжение постоянного тока может быть отделено от переменного переменного тока, смешанного с ним, конечный выходной сигнал, зарегистрированный на чувствительном движении счетчика постоянного тока. Часто полезно иметь счетчик, чтобы суммировать потребление энергии в течение определенного периода времени, а не мгновенно. Выход такого счетчика может быть установлен в единицах джоулей или общей потребляемой энергии, поскольку мощность - это мера работы, выполняемой в единицу времени.
Или, чаще всего, выход измерителя может быть установлен в единицах Watt-Hours.
Механические средства для измерения Watt-Hours обычно сосредоточены вокруг концепции двигателя: постройте двигатель переменного тока, который вращается со скоростью, пропорциональной мгновенной мощности в цепи, затем включите этот двигатель, используя механизм счета стиля одометра сохранить общее количество потребляемой энергии.
«Мотор», используемый в этих счетчиках, имеет ротор, изготовленный из тонкого алюминиевого диска, с вращающимся магнитным полем, установленным наборами катушек, под напряжением под напряжением и током нагрузки, так что скорость вращения диска зависит как от напряжения, так и от тока, Ресурс: Уроки в электрических цепях - том II