Accuraat Vermogen Meten in AC Circuits: Van Elektrodynamometers tot Hall-Effect Sensoren

Vermogen meten in AC-circuits is inherent complexer dan in DC omdat faseverschuivingen betekenen dat simpelweg spanning- en stroommetingen vermenigvuldigen geen waar vermogen weerspiegelt.

Wat vereist is, is een instrument dat het product van momentane spanning en stroom kan bepalen. De klassieke elektrodynamometer, met zijn stationaire en bewegende spoels, uitblinkt in deze taak.

Voor drie-fase vermogen kunnen twee dynamometerbewegingen op een gemeenschappelijke as gekoppeld worden, wat een enkele wijzer toestaat de geaggregeerde vermogen op een meterschaal weer te geven. Hoewel deze configuratie duur en complex is, blijft het een betrouwbare oplossing.

Hall Effect

Eén innovatieve benadering voor elektronische vermogensmeting—het produceren van een elektrisch signaal evenredig aan waar vermogen in plaats van een mechanische wijzer—is gebaseerd op het Hall-effect.

Het Hall-effect, ontdekt door E.H. Hall in 1879, produceert een spanning over een stroomdragende geleider wanneer een loodrecht magnetisch veld wordt toegepast:

Hall spanning is evenredig aan stroom en magnetisch-veldsterkte.

De gegenereerde spanning over de plate, rechthoekige geleider is direct evenredig aan zowel de magnitude van de stroom als de sterkte van het magnetisch veld. Met andere woorden, het is het product van deze twee variabelen. De magnitude van de Hall-spanning hangt ook af van het materiaal van de geleider.

Speciaal ontworpen halfgeleidermaterialen produceren een sterkere Hall-spanning dan metalen, dus moderne Hall-effect apparaten zijn gebouwd uit deze materialen.

Door AC-stroom door de geleider te laten lopen en het magnetische veld te genereren met spoels geenergiseerd door hetzelfde AC-energiecircuit, wordt de Hall-spanning evenredig aan het momentane product van stroom en spanning—d.w.z. het ware vermogen.

Omdat een Hall-effect sensor geen bewegende delen heeft, kan het momentane vermogen met hoge nauwkeurigheid meten.

Bovendien is de Hall-spanning een DC-signaal. De polariteit van de Hall-spanning hangt af van zowel de magnetisch-veldpolariteit als de stroomrichting. Wanneer beide omkeren tijdens een AC-halfcyclus, blijft de uitgangspolariteit ongewijzigd.

Wanneer spanning en stroom 90° uit de fase zijn (nul vermogensfactor), coincideren de pieken van stroom en magnetisch veld nooit; de Hall-uitgang wordt nul op die momenten, wat weerspiegelt dat geen waar vermogen aan een puur reactieve last wordt geleverd.

Tussen deze punten oscilleert de Hall-spanning tussen positieve en negatieve waarden, wat de momentane uitwisseling van energie met een reactieve last vertegenwoordigt. De netto DC-uitgang over een volledige cyclus is nul, wat aangeeft dat geen waar vermogen is.

Als de faseverschuiving minder dan 90° is, oscilleert de Hall-spanning asymmetrisch—langer positief dan negatief—zodat het gemiddelde (DC) component niet-nul is. Een laagdoorlaatfilter extraheert deze DC-component, die dan op een gevoelige DC-meterbeweging kan worden weergegeven.

Veel gebruikers prefereren vermogen over tijd te accumuleren in plaats van momentaan te meten. Het gefilterde DC-signaal kan geïntegreerd worden om totaal energieverbruik te leveren, typisch uitgedrukt in joules of, meer algemeen, watt-uren.

• DC Transducers Werkblad