Danas je nabavljeno jednofazno indukcijsko izmjenično brojilo potrošnje djelatne energije oznake W9, proizvod njemačke tvrtke Siemens Schuckert Werke iz 1943. godine.
Tvrtka Siemens Schuckert Werke osnovana je 1903. godine kada je njemačka tvrtka Siemens & Halske kupila konkurentsku elektroenergetsku tvrtku Schuckert & Co. Novoformirana tvrtka Siemens-Schuckert (Siemens-Schuckert-Werke) sa sjedištem u Berlinu specijalizirala se za proizvodnju u elektroenergetici (jaka struja) i pneumatskim instrumentima. Osim električnih i elektroenergetskih uređaja i komponenti tvrtka je proizvodila i medicinske uređaje. Također, tijekom 1. svjetskog rata Siemens-Schuckert je proizvodio benzinske i električne automobile, avionske motore, zrakoplove i željezničke vlakove, a tijekom 2. svjetskog rata proizvodnja se bazirala na prisilnom radu u vlastitim radnim logorima. Tvrtka Siemens-Schuckertwerke AG postojala je do 1966. godine kada je sa tvrtkama Siemens & Halske AG i Siemens-Reiniger-Werke AG spojena udanašnji Siemens AG.
Hrvatsko Siemens električno d.d. (1941-1945) je bilo zagrebačko elektrodistribucijsko poduzeće koje je nastalo iz Elektre osnovane 1919. godine. Društvo Elektra zatim prelazi pod nadležnost Siemensa te je 1921. godine naziv promijenjen u Jugoslavensko Siemens d.d. Tijekom 2. svjetskog rata (za vrijeme NDH) naziv je promijenjen u Hrvatsko Siemens električno d.d., a nakon rata tvrtka je konfiscirana i mijenja naziv u Pogon „Rade Končar“ kao dio Elektroindustrije Hrvatske (ELIH). Međutim, već krajem 1946. godine ELIH prestaje s radom i formiraju se samostalna poduzeća Rade Končar, Elka, Croatia, i Munja.
Za mjerenje i registriranje potrošnje djelatne električne energije kroz određeno vrijeme (kWh) potrebno je mjeriti tri veličine: napon (U), struju (I) i faktor snage (cos φ).
P = U · I · cos φ · t (kWh)
S obzirom da je potrebno mjeriti napon i struju svako indukcijsko brojilo ima dva svitka (zavojnice) motane na željeznu jezgru koje onda tvore elektromagnete. Jedan svitak je naponski te se spaja paralelno na fazni i nulti vodič, a drugi svitak je strujni i spaja se serijski na fazni vodič. Kao i kod svakog drugog indukcijskog instrumenta, naponski svitak mora imati veliki otpor (puno namotaja tanke žice), a strujni svitak mali otpor (malo namotaja debele žice) kako bi unutrašnja potrošnja brojila bila što manja. Naponski i strujni elektromagneti smješteni su jedan nasuprot drugome, a između njih se nalazi rotirajuća aluminijska ploča na finim ležajevima da se maksimalno smanji trenje.
Strujna zavojnica (malo namotaja) ima mali induktivitet pa će zaostajanje strujnog toka za strujom mreže biti malo, blizu 0°. Naponska zavojnica (puno namotaja) ima veliki induktivitet pa će zaostajanje naponskog toka za naponom mreže biti veliko, blizu 90°. Magnetski tokovi ta dva elektromagneta stoga induciraju u aluminijskoj ploči napone koji su međusobno fazno pomaknuti za oko 90°. Ti naponi proizvode vrtložne struje koje su zbog male reaktancije aluminijske ploče gotovo u fazi sa tim naponima, pa i one zaostaju za magnetskim tokovima za 90°. Zbog tog faznog pomaka između magnetskih tokova naponskih i strujnih elektromagneta te magnetskih tokova nastalih uslijed induciranih vrtložnih struja u aluminijskoj ploči, stvara se zakretni moment te se ploča okreće. Zakretni moment je pri tome proporcionalan umnošku iznosa strujnog i naponskog magnetskog toka ali i sinusu faznog pomaka između njih (90°) koji se ovdje naziva unutrašnji kut pogonskog sistema.
Ako želimo da brojilo mjeri djelatnu snagu, unutrašnji kut pogonskog sistema u svim uvjetima mora biti točno 90°. To u praksi nije lako postićijer nemamo idealne zavojnice, a u željezu elektromagneta i aluminijskoj ploči se stvaraju dodatni gubici koji pomiču fazne kutove. Zbog neidealne zavojnice (omski i kapacitivni otpor) i gubitaka u željezu nemoguće je kod naponskog elektromagneta postići fazni kut od 90° i on će uvijek biti manji. Stoga se ovo kompenzira namjernim povećanjem kutne pogreške strujnog toka, kako bi se razlikom gubitaka dobio unutrašnji kut između naponskog i strujnog toka od točno 90°.
U praksi se za takvu kompenzaciju (povećanje kutne razlike) koriste kratko spojeni prsteni oko strujnog elektromagneta (gruba kompenzacija) ili pak se namota više namotaja čiji krajevi su izvučeni i kratko spojeni pomičnim mostićem. Tako se može fino podesiti duljina (otpor) namota, a time i fazni kut gubitaka. Regulacija se može dodatno napraviti i na naponskom elektromagnetu. Magnetski tok sa naponskog elektromagneta pomoću dodatnih željeza razgrana se u dva dijela tako da samo jedan dio prodire kroz rotirajuću aluminijsku ploču. Time se povećavaju gubici magnetskog toka kroz ploču, a onda i njegovo fazno zaostajanje za naponom. Drugi način finog podešavanja faznog pomaka je podesivo uvlačenje metalnog krilca u zazor između naponskog elektromagneta i aluminijske ploče čime se opet mijenjaju gubici, a time i fazni pomak.
Još jedan praktični problem kod indukcijskih brojila je utjecaj trenja ležajeva rotirajuće aluminijske ploče i otpora pokretanja prijenosa i mehanizma brojčanika, zbog čega se onda ploča neće pokrenuti na vrlo malim strujama. Ovo se obično kompenzira pomoćnim naponskim momentom koji se dobiva razdvajanjem naponskog magnetskog toka na dva dijela tako da između njih nastane mali fazni pomak. U drugim izvedbama taj pomoćni zakretni moment se dobiva pomoću male okretne željezne ručice učvršćene na jezgru naponskog elektromagneta ili preko pomoćnog namotaja. S druge strane, potrebno je osigurati i da se rotor ne okreće samo pod utjecajem naponskog elektromagneta, odnosno da se ne vrti kada kroz strujni namotaj ne teče nikakva struja. Ovo se postiže tako da se na osovinu rotora postavi mala željezna pločica koju magnetskim tokom zadržava druga željezna pločica pričvršćena na jezgru naponskog elektromagneta. Ponekad se umjesto elektromagneta koristi trajni magnet u kombinaciji sa komadićem metala pričvršćenim na sam rotirajući disk, zatim radijalni provrti ili urezi u rotirajućoj pločici i slično.
Važan element svakog indukcijskog brojila je trajni (permanentni) magnet za kočenje. Takvim magnetom se regulira brzina okretanja aluminijske ploče. Ploča se vrti u procjepu trajnog magneta te tu opet nastaju vrtložne struje koje sada proizvode zakretni protumoment i pokušavaju spriječiti vrtnju ploče. Kočenje će biti to veće što se ploča brže okreće i što je manji procjep između polova magneta i rotirajuće ploče. Regulacija vrtnje se najčešće postiže pomicanjem zazora magneta bliže ili dalje centru rotirajuće aluminijske ploče čime se zapravo mijenja brzina rotiranja ploče između polova magneta. Ovdje je naravno problem taj što je kočenje (naponsko i strujno prigušenje) to veće što je veća brzina (potrošnja struje), a teži se da kočenje bude linearno porastu snage. Različito naponsko i strujno prigušenje je u praksi teško kompenzirati i obično se koriste posebni magnetski pregoni za rasipanje strujnog toka i stvaranje dodatnog naponskog zakretnog momenta. Da bi broj okretaja bio barem donekle proporcionalan snazi teži se da zakretni moment rotora kao i kočenje budu što jači čime se onda umanjuje utjecaj trenja te nelinearnog strujnog i naponskog prigušenja.
Na točnost indukcijskih brojila utječe napon, frekvencija, fazni pomak, opterećenje (jačina struje) te temperatura. Ako pretpostavimo da je mreža glede napona, frekvencije i faznog pomaka stabilna, da je temperatura u uskim (sobnim) granicama, onda na točnost najviše utječe promjena opterećenja (promjena utrošene snage). Glede toga, nominalna točnost brojila je obično u granicama ±1 do 2 %.
Na osnovu danog opisa, kada rastavimo neko indukcijsko električno brojilo potražiti ćemo slijedeće komponente:
- strujni elektromagnet
- naponski elektromagnet
- rotirajući aluminijski disk na finim ležajevima spregnut sa brojčanikom
- sistem za kompenzaciju (podešavanje) faznog pomaka unutrašnjeg pogonskog sistema (90°)
- sistem za zaustavljanje vrtnje kada nema potrošnje struje
- sistem za pokretanje vrtnje već kod vrlo male potrošnje struje (kompenzacija trenja rotirajućeg diska i momenta potrebnog za pokretanje brojčanika)
- permanentni magnet za regulaciju brzine vrtnje rotirajućeg diska (moment kočenja/usporenja vrtnje diska)
- priključne spojnice
Slika lijevo: rotirajući aluminijski disk, osovima diska sa ležajevima, mehanička sprega diska sa brojčanikom, permanentni magnet za regulaciju brzine vrtnje (kočenje). Slika desno: Strujni elektromagnet (gore) i naponski elektromagnet (dolje) između kojih je rotirajući disk i dodatna pomična željeza za kompenzaciju faznog kuta.
Sistem za zaustavljanje vrtnje kada nema potrošnje struje. Jedna metalna zastavica je trajno pričvršćena na elektromagnet naponskog svitka koji je stalno pod konstantnim naponom. Druga zastavica je pričvršćena na osovinu rotirajućeg diska. Ukoliko mali fazni pomak naponskog svitka bude dovoljan da pokrene rotirajući disk i bez magnetskog polja strujnog svitka, to slabo zakretanje će zaustaviti magnetsko polje koje se preko metalnih zastavica prenosi sa jezgre naponskog elektromagneta.
Detalj na mehaničku spregu rotirajućeg diska sa brojčanikom.
Brojčanik potrošnje električne energije (kWh).
Permanentni magnet za regulaciju brzine vrtnje rotirajućeg diska. Posebnim mehanizmom da vijcima i polugom zazor magneta se može više ili manje približiti centru diska. Time se mijenja brzina prolaza diska između zazora magneta, čime se mijenja i jačina induciranih vrtložnih struja, a time se onda mijenja i stvoreni magnetski protumoment kočenja.
Kratko spojeni prsteni na jezgri strujnog elektromagneta za podešavanje unutrašnjeg faznog kuta pogonskog sistema.
Slika lijevo: Između jezgre strujnog elektromagneta sa kratko spojenim prstenom i vijka ležaja rotirajućeg diska, nalazi se vijak sa polugom kojom se regulira naponski pregon, odnosno pomoćni naponski moment za pokretanje rotacije diska kod vrlo male potrošnje struje. Slika desno: Međusobno suprotno postavljeni naponski elektromagnet i strujni elektromagneti. Između jezgri ovih elektromagneta nalazi se aluminijski rotirajući disk kao i dodatna željeza za raspodjelu magnetskih tokova.
Električna indukcijska brojila su načelno jednostavne konstrukcije i možemo reći da se baziraju na posebnoj izvedbi elektromotora. Znamo da je snaga umnožak napona i struje, tako da brzinu vrtnje određuje magnetski tok sa naponskog i strujnog elektromagneta. Međutim, da bi brojilo bilo točno od velike važnosti je postići ispravan unutrašnji fazni kut pogonskog sistema koji za brojila djelatne snage mora biti točno 90°. Također, posebno su kritične male brzine, odnosno male struje kod kojih je potrebno savladati trenje ležaja rotora i gubitak snage u prijenosu mehaničke sile na brojčanik, kako bi se rotor uopće pokrenuo. S druge strane treba osigurati i da se rotor ne okreće ukoliko nema prolaza struje kroz strujni svitak. Sve ovo usložnjava “elektromotorni pogon” i koriste se različiti sistemi za kompenzaciju faznog kuta, regulaciju brzine vrtnje te ispravno funkcioniranje brojila na vrlo malim strujama ili u slučaju potpunog izostanka struje.
Osim brojila djelatne snage postoje i brojila jalove i prividne snage, kao i višefazna, višetarifna i druge vrste brojila. Objavu smo započeli najjednostavnijim jednofaznim brojilom iz naše zbirke, a svakako ćemo razgledati od čega se sastoje i drugi tipovi brojila. Indukcija brojila su i danas još uvijek široko u upotrebi iako ih sve više zamjenjuju elektronička brojila kojima se postiže točnost i do 0,01%. Takva brojila naravno nemaju pokretnih dijelova, informacija o naponu i struji se uzima preko mjernih transformatora ili magnetskih (Hall) senzora, a na digitalnom displeju se osim potrošnje prikazuju i drugi parametri mjerenja. Osim točnosti, prednost ovakvih brojila je i mogućnost daljinskog slanja izmjerenih podataka prema distributeru (preko modema) tako da nisu potrebna fizička očitanja potrošnje i mjesečni račun se plaća prema stvarnoj potrošnji, a ne paušalno sa naknadnim periodičkim obračunima razlike. Brojila, kao i svaka druga elektronika postaju “pametna”, čitavo upravljanje elektrodistribucijskom mrežom postaje sve više “pametno”, za nekoliko godina teško će se moći uopće i naći neki elektronički uređaj koji nije “pametan” i koji ne koristi “umjetnu inteligenciju”, jer te riječi jednostavno marketinški jako dobro zvuče, puno bolje od riječi poput automatika ili upravljačka elektronika 🙂