ประเภทของเครื่องวัดพลังงานและวิธีการทำงาน
เครื่องวัดพลังงานหรือมิเตอร์วัตต์-ชั่วโมงเป็นเครื่องมือไฟฟ้าที่ใช้วัดพลังงานไฟฟ้าที่ผู้บริโภคใช้ บริษัทสาธารณูปโภคเป็นหนึ่งในภาคส่วนการผลิตไฟฟ้าที่ติดตั้งมิเตอร์เหล่านี้ในสถานที่ต่างๆ เช่น บ้าน อุตสาหกรรม องค์กร อาคารพาณิชย์ ฯลฯ เพื่อเรียกเก็บเงินค่าไฟฟ้าสำหรับสิ่งของต่างๆ เช่น ไฟ พัดลม ตู้เย็น และเครื่องใช้ในบ้านอื่นๆ
หน่วยพื้นฐานของกำลังคือวัตต์ ซึ่งวัดด้วยวัตต์มิเตอร์ หนึ่งกิโลวัตต์เท่ากับหนึ่งพันวัตต์ หากใช้หนึ่งกิโลวัตต์ในหนึ่งชั่วโมง จะใช้พลังงานหนึ่งหน่วย ดังนั้น เครื่องวัดพลังงานจึงวัดแรงดันและกระแสอย่างรวดเร็ว คำนวณผลคูณและให้กำลังไฟฟ้าทันที พลังงานนี้ถูกรวมเข้าด้วยกันในช่วงเวลาหนึ่งเพื่อให้พลังงานที่ใช้ในช่วงเวลานั้น
ประเภทของเครื่องวัดพลังงาน
เครื่องวัดพลังงานแบ่งออกเป็นสองประเภทพื้นฐาน เช่น:
มิเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
เครื่องวัดพลังงานอิเล็กทรอนิกส์
โดยคำนึงถึงปัจจัยดังต่อไปนี้ มิเตอร์วัดพลังงานไฟฟ้าจึงแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
ประเภทการแสดงผลเป็นมิเตอร์แบบอนาล็อกหรือดิจิตอล
ประเภทจุดวัดแสง: การส่งสัญญาณทุติยภูมิ กริด การกระจายในพื้นที่และหลัก
การใช้งานขั้นสุดท้าย เช่น การใช้งานเชิงพาณิชย์ อุตสาหกรรม และภายในบ้าน
ด้านเทคโนโลยี เช่น เฟสเดียว สามเฟส แรงตึงสูง (HT) แรงตึงต่ำ (LT) และวัสดุเกรดความแม่นยำ
การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟอาจเป็นเฟสเดียวหรือสามเฟส ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ใช้โดยบ้านหรืออาคารเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบทความนี้ เราจะศึกษาหลักการทำงานของเครื่องวัดพลังงานอุปนัยแบบเฟสเดียวและหลักการทำงานของเครื่องวัดพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แบบสามเฟสผ่านคำอธิบายของเครื่องวัดพลังงานพื้นฐานสองตัวต่อไปนี้
เครื่องวัดพลังงานอุปนัยเฟสเดียว
เป็นเครื่องวัดพลังงานไฟฟ้าโบราณที่รู้จักกันดีและแพร่หลายที่สุด ประกอบด้วยแผ่นอะลูมิเนียมหมุนได้ที่วางอยู่บนแกนหมุนระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้าสองตัว ความเร็วในการหมุนของจานเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลัง ซึ่งรวมเข้าด้วยกันผ่านชุดเฟืองและกลไกการนับ ประกอบด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าเคลือบเหล็กซิลิคอนสองตัวที่เชื่อมต่อแบบขนานและแบบอนุกรม
แม่เหล็กอนุกรมมีขดลวดที่มีลวดหนาหลายรอบต่ออนุกรมกับวงจร ในขณะที่แม่เหล็กแบบขนานมีขดลวดที่มีลวดเส้นเล็กหลายรอบเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน
แม่เหล็กเบรกเป็นแม่เหล็กถาวรที่ออกแรงต้านการหมุนจานเบรกตามปกติ โดยเคลื่อนจานเบรกไปยังตำแหน่งสมดุล และหยุดจานเมื่อถอดไฟออก
แม่เหล็กที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กตามสัดส่วนของกระแสที่ไหล และแม่เหล็กที่เชื่อมต่อแบบขนานจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กตามสัดส่วนของแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากคุณสมบัติอุปนัยฟลักซ์ทั้งสองนี้จึงมีความล่าช้า 90 องศา จุดตัดกันของทั้งสองฟิลด์นี้จะสร้างกระแสเอ็ดดี้ในจานโดยใช้แรงที่เป็นสัดส่วนกับผลคูณของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และมุมเฟสระหว่างกระแสเหล่านั้น แม่เหล็กเบรกวางอยู่ที่ด้านหนึ่งของจานเบรก และสร้างแรงบิดในการเบรกบนจานเบรกโดยใช้สนามแม่เหล็กคงที่จากแม่เหล็กถาวร เมื่อแรงบิดในการเบรกและการขับขี่เท่ากัน ความเร็วของจานเบรกจะคงที่
แกนหรือแกนหมุนแนวตั้งของจานอะลูมิเนียมนั้นสัมพันธ์กับกลไกเฟืองที่บันทึกตัวเลขตามสัดส่วนกับจำนวนรอบการหมุนของจาน กลไกเกียร์นี้จะกำหนดชุดตัวเลขบนหน้าปัดและระบุปริมาณพลังงานที่ใช้ไปเมื่อเวลาผ่านไป
มิเตอร์วัดพลังงานไฟฟ้าประเภทนี้มีโครงสร้างที่เรียบง่าย แต่ความแม่นยำต่ำเล็กน้อยเนื่องจากอิทธิพลของสนามภายนอก เช่น การคืบ ปัญหาหลักของมิเตอร์วัดพลังงานประเภทนี้คือ มิเตอร์เหล่านี้เสี่ยงต่อการถูกปลอมแปลง ซึ่งจำเป็นต้องมีระบบตรวจสอบพลังงาน ซีรีส์และมิเตอร์แบบแยกเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานในบ้านและอุตสาหกรรม
เมื่อเทียบกับเครื่องวัดพลังงานเหนี่ยวนำไฟฟ้าเครื่องกล เครื่องวัดพลังงานอิเล็กทรอนิกส์เป็นเครื่องมือวัดที่แม่นยำ แม่นยำ และเชื่อถือได้ เมื่อเชื่อมต่อกับโหลด จะใช้พลังงานน้อยลงและเริ่มการวัดทันที ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายเครื่องวัดพลังงานไฟฟ้าสามเฟสและหลักการทำงานของเครื่องวัด
เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้าแบบสามเฟส
มิเตอร์สามารถทำการวัดกระแส แรงดัน และกำลังในระบบจ่ายไฟสามเฟสได้ ด้วยการใช้มิเตอร์สามเฟสนี้ จึงสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าแรงสูงได้โดยใช้เซ็นเซอร์ที่เหมาะสม มิเตอร์พลังงานสามเฟสประเภทหนึ่งแสดงอยู่ด้านล่าง (เป็นตัวอย่าง) ซึ่งช่วยให้มั่นใจในการวัดพลังงานที่เชื่อถือได้และแม่นยำเมื่อเปรียบเทียบกับมิเตอร์ไฟฟ้าเครื่องกล
ใช้ IC การวัดพลังงานเฟสเดียว AD7755 เพื่อรวบรวมและประมวลผลแรงดันไฟฟ้าอินพุตและพารามิเตอร์ปัจจุบัน เซ็นเซอร์ เช่น หม้อแปลงแรงดันและกระแส ใช้เพื่อลดพิกัดแรงดันและกระแสของสายไฟให้เป็นระดับสัญญาณ และจ่ายให้กับไอซีดังแสดงในรูป สัญญาณเหล่านี้จะถูกสุ่มตัวอย่างและแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล ซึ่งจะถูกคูณซึ่งกันและกันเพื่อให้ได้พลังงานทันที จากนั้นเอาต์พุตดิจิทัลเหล่านี้จะถูกแปลงเป็นความถี่เพื่อขับเคลื่อนตัวนับระบบเครื่องกลไฟฟ้า ความถี่ของพัลส์เอาท์พุตเป็นสัดส่วนกับกำลังไฟฟ้าขณะนั้น และ (ภายในช่วงเวลาที่กำหนด) ความถี่ของพัลส์เอาท์พุตจะจ่ายพลังงานตามจำนวนพัลส์ที่ระบุไปยังโหลด
ไมโครคอนโทรลเลอร์ยอมรับอินพุตจาก IC การวัดกำลังทั้งสามตัวสำหรับการวัดกำลังไฟสามเฟส และทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมของระบบโดยดำเนินการที่จำเป็นทั้งหมด เช่น จัดเก็บและดึงข้อมูลจาก EEPROM ควบคุมมิเตอร์โดยใช้ปุ่มเพื่อดูการใช้พลังงาน สมอง ปรับเทียบเฟสและล้างการอ่าน และยังขับเคลื่อนการแสดงผลโดยใช้ไอซีตัวถอดรหัสอีกด้วย
จนถึงตอนนี้ เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องวัดพลังงานและวิธีการทำงานแล้ว เพื่อให้เข้าใจแนวคิดนี้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น คำอธิบายต่อไปนี้เกี่ยวกับมิเตอร์วัดพลังงานจะให้รายละเอียดวงจรที่สมบูรณ์และการเชื่อมต่อโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์
วงจรวัดพลังงานโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์:
รูปด้านล่างแสดงวงจรมิเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้งานโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmel AVR วงจรนี้จะตรวจสอบและรับพารามิเตอร์แรงดันและกระแสของแหล่งจ่ายไฟหลักแบบเฟสเดียวอย่างต่อเนื่อง ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รับค่าพารามิเตอร์เหล่านี้จากวงจรปรับสภาพสัญญาณ ซึ่งขับเคลื่อนโดย IC แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน
วงจรนี้มีหม้อแปลงกระแสสองตัวเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับสายไฟแต่ละเส้น: เฟสและนิวตรอน ค่าปัจจุบันจากหม้อแปลงเหล่านี้จะถูกส่งไปยัง ADC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ตามลำดับ จากนั้น ADC จะแปลงค่าเหล่านี้เป็นค่าดิจิทัล และด้วยเหตุนี้ไมโครคอนโทรลเลอร์จึงทำการคำนวณที่จำเป็นเพื่อค้นหาการใช้พลังงาน ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกตั้งโปรแกรมโดยการคูณและรวมค่าแรงดันและกระแสจาก ADC ในช่วงเวลาที่กำหนด และขับเคลื่อนกลไกตัวนับตามลำดับเพื่อแสดงจำนวนหน่วย (KW) ที่ใช้ไปในช่วงเวลาหนึ่ง
นอกเหนือจากการวัดพลังงานแล้ว ระบบยังแสดงการบ่งชี้ความผิดปกติของการลงดินในกรณีที่มีความผิดปกติหรือกระแสไฟฟ้าเกินที่อาจเกิดขึ้นในตัวนำที่เป็นกลางหรือสายดิน และเปิดการบ่งชี้ LED อย่างเหมาะสมสำหรับการตรวจจับความผิดปกติของการลงดินตลอดจนการใช้งานต่อหน่วย
