InfoNu.nl > Electronica > Diversen > Hoe werkt een kWh-meter?

Hoe werkt een kWh-meter?

Hoe werkt een kWh-meter? Een kilowattuurmeter of elektriciteitsmeter meet het elektriciteitsverbruik van een huishouden of bedrijf. Een dergelijke meter is meestal geplaatst in de meterkast, of is onderdeel van een elektrische installatie. De meter meet het product van het elektrische vermogen en de tijd, of de elektrische arbeid. Een veel gebruikte kWh-meter is de Ferraris-teller, die gemakkelijk te herkennen is aan de horizontaal draaiende Ferrarisschijf.

kiloWattuurmeter

Een kWh-meter meet uw energieverbruik. Het elektrisch vermogen is het product van spanning en stroom, waarbij de fase-verschuiving tussen die twee ook meegenomen wordt. De verbruikte energie is gelijk aan:

  • E = ∫ u(t) * i(t) dt

Voor het energieverbruik per tijdsperiode wordt een zeker tarief gerekend. Sommige meters hebben twee telwerken: één voor gewoon tarief en één voor nacht- en weekeindtarief.

De bekende kiloWattuurmeter is eigenlijk een inductiemotor, en wordt ook wel de Ferraris-teller genoemd. Deze mechanische meter heeft een aluminium schijf die in het magnetisch veld van twee spoelen is opgehangen.

  • de spanningsspoel wekt een magnetisch veld op dat evenredig is met de aangesloten spanning
  • de stroomspoel wekt een magnetisch veld op, evenredig met de stroom die door het net van de gebruiker loopt

De resulterende magnetische veldsterkte genereert een wervelstroom in de schijf. Daardoor ontstaat een kracht. De kracht vormt een een koppel op de schijf; het is evenredig met het product van spanning, stroom en de cosinus van de fasehoek tussen die twee. Door het koppel gaat de schijf draaien. Het toerental van de schijf is evenredig met het product van stroom, spanning en de cosinus van de fasehoek daartussen.

  • E = U_eff * i_eff * cos(Φ) * t

In het systeem zit ook een rem gemonteerd. De schijf draait door een lokaal magneetveld, aangelegd door een permanente magneet welke dient als wervelstroomrem. De rem produceert een remmoment, dat evenredig is met de snelheid. Samenvattend kunnen we zeggen dat het toerental evenredig is met het energieverbruik.

Elektronische meters

Shuntmeting
Bovenstaande meetmethode gebruikt principes uit elektromagnetisme en mechanica; men noemt een Ferraris-meter ook wel inductiemeter. Tegenwoordig wordt echter steeds vaker elektronica gebruikt om energie en vermogen te meten. Deze meters gebruiken zeer nauwkeurige componenten uit de elektronica en worden ook wel statische meters genoemd.
Het werkingsprincipe van een dergelijke meter is vrij eenvoudig: de meetspanningen worden vergeleken met een nauwkeurige referentiespanning (Uref). De stromen worden eerst omgezet naar spanningen, en vervolgens gebruikt men dezelfde methode om de grootte van de stromen te bepalen. Door een speciale weerstand leidt men de stroom, die in zo'n weerstand (shunt) een spanning zal opwekken. Intelligente elektronica zorgt ervoor dat stapsgewijs het verschil tussen Uref en de meetspanning zo klein wordt, totdat aan bepaalde nauwkeurigheidseisen voldaan is (bijvoorbeeld Uref wijkt 1% af van de meetspanning). De waarde(n) van Uref wordt vervolgens opgeslagen en verwerkt. Wanneer we de waarde van een stoom willen weten, moeten we nog de deling i = (Uref / Rshunt) uitvoeren. Deze meetmethode noemt men ook wel successive approximation, oftewel stapsgewijze benadering.
Digitale elektronica zoals de microprocessor (μproc) en de multiplexer (mux) zorgen ervoor dat de juiste signalen gemeten en verwerkt worden. Voordat de meetspanningen worden vergeleken met Uref worden ze eerst geschikt gemaakt voor deze meting; dit gebeurt in de voorversterker (pre-Amp).
Een energie- of vermogensmeting moet aan zekere nauwkeurigheidseisen voldoen. Volgens wettelijke bepalingen mag de onnauwkeurigheid in een bepaalde energiemeting bijvoorbeeld niet meer dan 0,2% bedragen. Om aan dergelijke eisen te kunnen voldoen is zeer nauwkeurige en betrouwbare elektronica nodig. De grootste bron van (lange-termijn) afwijkingen zijn:

  • drift in de voorversterker
  • de nauwkeurigheid van referentiespanning Uref

Deze parameters hangen weer af van de temperatuurgevoeligheid (in veel landen hangen de kWh-meters buitenshuis), en de kwaliteit van de gebruikte elektronica (ook wel 'process' genoemd) en de stabiliteit van de voedingsspanning. Daarnaast moeten dergelijke circuits natuurlijk zodanig ontworpen zijn, dat nauwkeurigheid zeer hoge prioriteit krijgt in zowel de ontwerp- als de gebruiksfase.

Hall-element
Een andere manier om via elektronica energie- en vermogensmetingen uit te voeren is door gebruik te maken van het zogenaamde Hall-effect. Wanneer we door een halfgeleider een stroom laten lopen en loodrecht op de stroomrichting is een magneetveld B aangelegd, zal vanwege de Lorentzkracht een elektrische spanning optreden (in de dwarsrichting van de stroomdrager). Men kan het Hall-effect en de de Hall-spanning Uhall nauwkeurig meten door gebruik te maken van de methode van van der Pauw. Dit is een meetmethode die elektrische weerstand meet (R = U / i) door gebruik te maken van 4 contactpunten, in plaats van 2 punten zoals bij een 'gebruikelijke' weerstandsmeting. Deze meetmethode is zeer nauwkeurig, omdat het corrigeert voor de weerstand die de contactpunten zelf hebben.
We kunnen een magneetveld B aanleggen dat recht evenredig is met de grootte van de meetspanning Uin. Omdat vermogen kan worden uitgedrukt als P = 1/T ∫ u(t) * i(t) dit is de Hall-spanning Uhall een directe indicator voor het vermogen dat het Hall-element consumeert. De meetspanning Uhall wordt weer via intelligente elektronica opgeslagen en verwerkt zoals dat ook gebeurt bij en shuntmeting.

Slimme meters

Meerdere netbeheerders en energieleveranciers zijn bezig met de introductie van digitale meters. Een dergelijke meter wordt ook wel slimme meter genoemd. Het registreert net als de conventionele meter het energieverbruik van de afnemer; daarnaast verzendt het apparaat de gemeten gegevens. Via het laagspanningsnet of GPRS worden de data naar een centrale computer van het energiebedrijf gestuurd.



Energie, arbeid, en vermogen

Energie wordt vaak aangeduid als de mogelijkheid om arbeid te verrichten. De energie van een systeem is de totale hoeveelheid arbeid die moet worden verricht om vanaf een begintoestand in de huidige toestand te komen. Willen we bijvoorbeeld een zware steen optillen en op tafel zetten, dan zal de energie van het systeem de totale arbeid zijn die het kost om de steen zover te krijgen.

Energie totaal = Arbeid = E(steen op tafel) - E(steen op vloer) = mgh2 - mgh1 = etc....

  • Arbeid = Vermogen * tijdsduur

Vermogen in het elektrische domein is:

  • P = U * i

Het vermogen, dat wordt aangeduid als P, wordt in de elektriciteitsleer gelijk gesteld aan het product van de elektrische spanning U en de stroom I. Bij wisselspanningen rekent men meestal met de effectieve waarde. Dit is de waarde van een constante stroom of spanning die in een weerstand gemiddeld hetzelfde elektrisch vermogen ontwikkelt als een wisselspanning. Omdat er energie verloren gaat door inductieve of capacitieve belasting, moet voor het werkelijk verbruikte vermogen ook nog gecorrigeerd worden met een factor cos(Φ). (Door deze belasting zal de stroom respectievelijk voor- of achterlopen op de spanning, en wel met fasehoek Φ).
Het actieve vermogen is het vermogen zonder het gedeelte dat verloren is gegaan door inductieve of capacitieve belasting, en geeft het nuttig verbruikte vermogen van een wisselspanning aan. Dit vermogen wordt als volgt berekend:

  • P = U_eff * i_eff * cos(Φ)
met
  • P = het actieve vermogen, uitgedrukt in watt
  • U_eff = de effectieve elektrische spanning, uitgedrukt in volt
  • I_eff = de effectieve elektrische stroom, uitgedrukt in ampère
  • Φ = de fasehoek tussen spanning en stroom, uitgedrukt in radialen

Het energieverbruik (W) van een huishouden = de totale verrichte arbeid = het actieve vermogen maal de tijdsduur. Gebruikmakend van de integraalrekening ziet het er zo uit:
  • W = ∫ P dt

P = 1/T ∫ u(t) * i(t) dt

Bovenstaande berekeningen kunnen we zo uitvoeren, wanneer we de netspanning als een wisselspanning beschouwen die zuiver sinusvormig is, met frequentie f = 50 Hz. Voor de periodetijd T = 1/f kunnen we dan schrijven T = 0,02 seconden.

Lees verder

© 2009 - 2014 Tronic, gepubliceerd in Diversen (Electronica) op . Het auteursrecht van dit artikel en antwoorden op reacties ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Klussen: elektronica hoe en watIn onze maatschappij heb je heel veel met elektronica te maken: computers, televisies, digitale camera's, mp3-spelers, e…
Transformatoren, de stroomtransformatorTransformatoren, de stroomtransformatorDe stroomtransformator is een speciale transformator die in de meettechniek vaak gebruikt wordt om stroommetingen te ver…
Klussen: elektronica circuit en regelen elektrische stroomStroom bestaat uit beweging van negatief geladen deeltjes (elektronen) van een negatieve naar een positieve pool. De con…
Spanning en stroom simpel uitgelegdSpanning en stroom simpel uitgelegdSpanning en stroom zijn voor veel mensen lastige begrippen. Vaak worden ze door elkaar gebruikt. Een manier om een beter…
Klussen: elektronica Wet van Ohm bij circuits toepassenDe Wet van Ohm legt het verband vast tussen spanning, stroom en weerstand. Wanneer je deze wet begrijpt en toepast wordt…

Reageer op het artikel "Hoe werkt een kWh-meter?"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Reacties

Jacob, 04-04-2014 18:09 #9
Hallo via de Jachthaven waar wij met de boot liggen zijn wij aan gesloten op een stroomkast, nu gebeurt het heel veel dat wij stroom binnen krijgen van 190 volt, ik vraag mij wel eens af of de KWh meter dan nog wel goed registreert? het zij te veel of te weinig? Reactie infoteur, 05-04-2014
Hallo Jacob,

UItstekende vraag: in de internationale norm voor kWh-meters staan stromen en voltages vermeld waarvoor een kWh-meter gekalibreerd moet zijn. De afwijking van de meter bij 190 Volt is dermate klein dat u zich geen zorgen hoeft te maken.

mvg Tronic

Geert Houben, 02-02-2014 20:50 #8
Hallo,
kan het zijn dat een electriciteitsmeter meer telt als hij 60hz krijgt ipv 50? Reactie infoteur, 03-02-2014
Hallo Geert,

Nee volgens mij maakt dat niet uit. De meter registreert geconsumeerde energie in een tijdseenheid. In de meeste specificaties zie je een nominale frequentie van zowel 50 als 60 Hz staan.

mvg
Tronic

Geert, 02-02-2014 12:14 #7
Hallo,
kan iemand me uitleggen of het een rol speelt of je 50 of 60hz binnenkrijgt?
doet dat de teller sneller draaien als je 60hz krijgt?
bij voorbaat dank.

Tronic (infoteur), 11-10-2013 16:13 #6
De meter telt de teruggeleverde energie niet op bij de geconsumeerde energie (als dat is wat je bedoelt).
De teruggeleverde energie wordt bijgehouden in een apart register.

Jan Janssen, 11-10-2013 00:20 #5
Hallo,
Wat doet een digitale KWH meter met teruggeleverde stroom? Ik heb n.l. in Kenya een gesponsord solarsysteem aangelegd en daar kun je in principe niet terugleveren. Het systeem werkt goed, maar als op een gegeven moment minder verbruikt wordt dan opgewekt, wat doet de meter dan, niets of optellen?
Bij voorbaat dank.
Jan Reactie infoteur, 11-10-2013
Hallo Jan,
- een digitale meter registreert teruglevering. De fasehoek bij teruglevering is (phi) > 90 graden, zodat cos(phi) = negatief.
- waarom zou je niet kunnen terugleveren in Kenya (je bedoelt waarschijnlijk dat dit niet in de Kenyaanswe wet is geregeld)?

Tronic (infoteur), 28-11-2010 18:17 #4
Dit moet u melden bij uw meetbedrijf (Liander, Enexis, Stedin, etc…). Als u er niet aan gezeten hebt, dan heeft een vorige bewoner dat misschien gedaan.
gr. Tronic

H. Oostindie, 28-11-2010 13:09 #3
Wat te doen als een kwh, meter 2x zo snel draait (en ook aangeeft) als een ter controle bij geplaatste meter? het is echt zo…

Tronic (infoteur), 07-10-2010 13:49 #2
Hoi Jan,

Op een (statische of feraris-) meter staat een constante vermeld, bijv : c= 75 rotations / kWh.
Dit betekent dat bij een verbruik van 1 kWh de roterende schijf 75 omwentelingen heeft gemaakt
zal hebben.
De roterende schijf is op 1 punt gemarkeert met een zwart balkje. U kunt het aantal omwentelingen registreren door te kijken naar hoe vaak de zwarte markering aan de voorkant van u meter het nulpunt gepasseerd is.

Jan Dijkstra, 06-10-2010 10:37 #1
De omschrijving van de werking is op een goede en begrijpelijke manier geschreven (je moet wel technisch) geschoold zijn.

Kunt u mij de leegloopformule van een kwh meter mailen. Ik weet hem niet meer.
Met deze formule kun je met het aantal omwenteling (bv met 1Kw belasting) en een Constante (C=75) uitrekenen
wat de het verbruik in KWh is. Dus of je meter goed aangeeft.
Alvast bedankt

vr gr
Jan Dijkstra

Infoteur: Tronic
Rubriek: Electronica
Subrubriek: Diversen
Reacties: 9
Schrijf mee!