Wie funktioniert ein Energiezähler / Stromzähler?

In jedem elektrisch versorgten Haushalt ist für die verbrauchsadäquate Abrechnung der Elektroenbergie vom Versorger ein Messgerät zur Erfassung des Verbrauchs installiert (in D noch weitestgehend elektromechanische Ferraris-Zähler wie oben abgebildet).
Dieser "Elektroenergiezähler" wird fälschlicherweise oftmals auch "Stromzähler" genannt. Tatsächlich wird in diesem Messgerät jedoch nicht (nur) der "elektrische Strom" gemessen bzw. gezählt, sondern der Energiverbrauch durch Messung der elektrischen Wirkleistung über der Zeit nach der Gleichung: W = P * t = U * I * t

Der eigentlich interessante Aspekt dieser Messeinrichtung ist dabei die Erfassung genau dieser "Wirkleistung" (P) unter Ausschluss der ebenfalls anfallenden "Blindleistung" (Q)!

Zur Erläuterung:
Elektrische Verbraucher können sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung in elektrischen Wechselstromnetzen umsetzen, wobei -wie der Name schon verrät- nur die Wirkleistung eine "Wirkung"/Verbrauch verursacht. Die Wirkleistung entspricht dem Produkt von phasengleich verlaufendem Strom und Spannung, die Blindleistung hingegen wird ausschliesslich durch den phasenversetzten Anteil vom Strom zur Spannung verursacht. Reine Wirkleistung wird beispielsweise von reinen ohmschen Verbrauchern (wie z.B. Ihr Wasserkocher mit 2kW Wirkleistung) erzeugt. Bei der Blindleistung wird zwischen kapazitiven und induktiven Lasten unterschieden (je nach pos. bzw. neg. Phasenversatz). Induktive Blindleistung wird beispielsweise von Geräten und Anlagen mit elektrischen Motoren verursacht (wie z.B. der Antriebsmotor in Ihrer Waschmaschine) Wirkleistung (P) und Blindleistung (Q) zusammen ergeben die Scheinleistung (S) nach folgender Gleichung: S²=P²+Q²

Der hier gezeigte Energie- Zähler arbeitet nach dem Ferrarisprinzip. Hier wird die Wirkleistung mittels intelligenter Magnetfeldüberlagerung und resultierender Wirbelstrominduktion in eine rotierend gelagerte Aluminiumscheibe übertragen. An diese Aluminiumscheibe ist ein Zählwerk angeschlossen, welches die Rotation und somit die Wirkleistung über der Zeit aufsummiert.
Die Antrieb der Aluscheibe / des Aluminiumrotors funktioniert ähnlich wie in einem elektrischen Motor, wobei sich die Drehzahl dieses Aluminiumrotors proportional zum aktuellen Verbrauch verhält, anders formuliert: Je höher die durchfliessende Wirkleistung, desto schneller dreht der Aluminiumrotor.
Das Herzstück des Ferraris-Zählers bilden zwei Spulen - die Spannungsspule und die Stromspule. Die Spannungsspule baut ein Magnetfeld proportional der anliegenden Netzspannung auf und induziert im Alurotor Wirbelströme. Die Stromspule wird vom Verbraucherstrom durchflossen und induziert ebenfalls Wirbelströme proportional dem Verbraucherstrom. Die Anordnung der Spulen und die Überlagerung dieser Magnetfelder führen dann zu einem ausschliesslich der Wirkleistung proportionalen Drehmoment am Aluminiumrotor. Die Felder der Blindleistungskomponente verursachen durch den 90°- Phasenversatz zwischen Strom und Spannung kein Drehmoment am Rotor.
Die einzelnen Feld- und Wirbelstromüberlagerungen verhalten sich im Rotor recht komplex und werden vom Hersteller genau berechnet, justiert und nachfolgend geeicht, sodass auch über den gesamten Lastbereich eine präzise Messung ausschliesslich der Wirkleistung sichergestellt ist. Weiterhin ist am Aluminiumrotor ein Permanentmagnet montiert, welcher mittels Wirbelkstrominduktion ein drehzahlabhängiges Gegendrehmoment im Alurotor erzeugt (ähnlich einer Wirbelstrombremse). Dieses Gegendrehmoment ist erforderlich zur Linearisierung, Dämpfung und Justage der Drehzahlkennlinie des Rotors.

Innenansicht des Energiezählers, Wechselstromzählers

Interessant ist die Angabe zur Strombelastbarkeit des Zählers I=10(60)A: bei relativ moderatem Wirkstrom von 10A können bei grossen Blindleistungsverbrauchern ganz erhebliche Blindströme auftreten, sodass kurzzeitig Scheinströme bis 60A zulässig sind!

Innenaufbau des Ferraris-Zählers
Übertragung vom Aluminiumrotor auf das Zählwerk

Lage der Spannungsspule und der Stromspule am Aluminiumrotor,
die Wirbelstrominduktion der überlagerten Wechselfelder verursachen ein Drehmoment am Rotor

gut zu erkennen: die Permanentmagneten am Aluminiumrotor