Ferraris-Zähler

Ferraris-Drehstromzähler (geöffnet) mit zwei starr gekoppelten Ferrarisscheiben:
1 - Rollenzählwerk
2 - justierbare Wirbelstrombremse (Dauermagnet)
3 - eine der drei Stromspulen
4 - eine der drei Spannungsspulen (die dritte versteckt sich links hinter dem Zähler)

Der Ferraris-Zähler, benannt nach Galileo Ferraris, ist ein elektromechanisches Messgerät für elektrische Energie, umgangssprachlich Stromzähler, welcher zur Anzeige der konsumierten, selten auch der eingespeisten, elektrischen Energie bei ein- oder mehrphasiger Wechselspannung im Bereich von Niederspannungsnetzen verwendet wird. Er besteht aus einer speziellen Form von Asynchronmotor, dem Ferrarisläufer, der die Form einer kreisförmigen Aluminiumscheibe hat, in Verbindung mit einem mechanischen Zählwerk.

Aufbau

Nordamerikanischer Ferraris-Zähler für das dort übliche Einphasen-Dreileiternetz

Der Ferrarisläufer besteht aus einer drehbar gelagerten Aluminiumscheibe, die durch die Wechselfelder zweier Erregerspulen läuft. Die eine Spule ist mit wenigen Windungen ausgeführt und kennzeichnet den sogenannten Strompfad, die andere ist mit hoher Impedanz ausgeführt und kennzeichnet den Spannungspfad. Der durch die Verbraucher fließende elektrische Strom fließt auch durch die Spule im Strompfad, die elektrische Spannung (Netzspannung) liegt an der Spule im Spannungspfad. Das durch die Magnetfelder auf die Scheibe ausgeübte Drehmoment ist zu jedem Augenblick dem Produkt aus Strom und Spannung proportional. Bei Mehrphasensystemen ist, weil die Möglichkeit einer asymmetrischen Belastung besteht, für jeden Außenleiter eine eigene Spule im Strom- und Spannungspfad notwendig, deren Felder sich addieren.

Die Kerne der Spulen des Strom- bzw. des Spannungspfades sind an der Alumiumscheibe so angeordnet, dass sie zusammen ein magnetisches Drehfeld erzeugen, welches die Scheibe über in ihr induzierte Wirbelströme wie bei einem Asynchronmotor antreibt. Durch die geometrische Anordnung der Spulen und den Umstand, dass die Phase im Spannungspfad aufgrund der Induktivität um 90° verschoben ist, ist das Drehmoment zu jedem Zeitpunkt proportional zum Produkt aus Strom und Spannung, also zur elektrischen Wirkleistung. Zur Justage ist die korrekte Phasenverschiebung im Spannungspfad im Rahmen der Kalibrierung am Zähler einstellbar. Die Blindleistung führt dann im zeitlichen Mittel zu keinem Drehmoment und wird nicht gezählt. Weiter sind oft Kurzschlussbügel aus Widerstandsdraht vorhanden, mit denen das Drehmoment für verschiedenen Leistungsstufen abgeglichen werden kann.

Der Ferraris-Zähler arbeitet nur insoweit korrekt, als die Netzfrequenz konstant ist und die Geschwindigkeit der Scheibe sehr viel kleiner als die des Wanderfeldes ist. Weiterhin muss es ein drehzahlproportionales Bremsmoment geben, sodass sich das Integral der Momentanleistung (Drehmoment) über die Zeit als Zahl der Umdrehungen pro Energiebetrag ergibt. Das Bremsmoment wird durch eine Wirbelstrombremse mit einem Permanentmagneten erreicht, durch dessen Feld sich die Scheibe ebenfalls bewegt. Die Reibung durch das Zählwerk und die Lager muss vernachlässigbar gegenüber dem Bremsmoment des Magneten sein. Nur dann ist die Drehzahl der Scheibe proportional zum antreibenden Moment des Wanderfeldes beziehungsweise zur elektrischen Wirkleistung. Das gelingt nur ab einer bestimmten Mindestleistung - darunter steht der Zähler.

Der Ferrarisläufer treibt über einen Schneckentrieb ein Rollenzählwerk, das die Anzahl der Scheiben-Umdrehungen als Energie (Kilowattstunden) anzeigt.

Bei Rückeinspeisung elektrischer Energie in das Netz läuft ein Ferrariszähler normalerweise rückwärts, sofern keine mechanischen Sperren vorhanden sind.

Ferrariszähler sind lageempfindlich und können nur bei horizontaler Lage der Aluminiumscheibe korrekt betrieben werden.

Für höhere Ströme wird die Stromspule über einen Stromwandler angeschlossen, für höhere Spannungen wird die Spannungsspule an einen Spannungswandler angeschlossen. Für die Messung von Blindleistung kann die Phase des Stromes durch die Spannungsspule, z. B. durch eine Hummelschaltung, um 90° gedreht werden.

Die elektromechanischen Ferraris-Zähler werden zunehmend durch elektronische Energiezähler mit der Möglichkeit zur Fernauslese ersetzt.

Literatur

• P. M. Pflier: Elektrizitätszähler. Tarifgeräte, Meßwandler, Schaltuhren.. 1. Auflage. Springer, 1954.