全電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理

全電子式電能表的構(gòu)造和工作原理近年來，進(jìn)入我國電力系統(tǒng)的電子式電能表逐年增多，并廣泛應(yīng)用在電能計(jì)量和計(jì)費(fèi)工量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。在學(xué)習(xí)了《智能儀器與電子測量》的課程以后，在教師的帶著下，我下面我就介紹一下這個(gè)生活中的必需品。電子式電能表是怎樣來計(jì)量電能的呢？電子式電能表是在數(shù)字功率表的根底上進(jìn)展起來的，承受乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測量，其工作原理框圖如圖3-10所示。被測量的高電壓ui經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器MM完成電壓和電流瞬U，然后再利用電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，U被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。一、輸入變換電路

3-10電子式電能表工作原理框圖信號(hào)按肯定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓減小干擾?！惨弧畴娏鬏斎胱儞Q電路〔或電流子式電能表內(nèi)部一般承受二次側(cè)互感器級(jí)聯(lián)，以到達(dá)前級(jí)互感器二次側(cè)不帶強(qiáng)電的要求。錳銅片分流器以錳銅片作為分流電阻RS，當(dāng)大電流i〔t〕流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成正比的微弱電壓Ui，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Ui〔t〕＝i〔t〕R該小信號(hào)U〔〕送入乘法器，作為測量流過電能表的電流〔。其原理圖如3-11所示。錳銅分流器和一般電流互感器相比，具有線性好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。錳銅分流器A選用F2錳銅片，厚度2m，取樣電阻Rs選17μ，則當(dāng)根本電流為5A1、2取樣信號(hào)Ui＝0.875mV。3-11錳銅分流器測量電器原理圖電流互感器〔電磁式3-12〔α〕 〔b〕3-12電流互感器電氣原理圖〔α〕b〕接入式tiTi〔t〕＝KI 〔〕tiT式中 i〔t〕——流過電能表主回路的電流；Ti〔t〕——流過電流互感器二次側(cè)的電流；TK——電流互感器的變比。KIu(t)iT

RL

i(t)RK LI式中u〔t〕——送往電能計(jì)量裝置的電流等效電壓；R——負(fù)載電阻。RL〔二〕電壓輸入變換電路〔100V或220V〕的被測電壓也必需經(jīng)分壓器或電壓互感器轉(zhuǎn)電壓互感器。電阻網(wǎng)絡(luò)承受電阻網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是線性好、本錢低，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)電氣隔離。有用中，一般承受多級(jí)〔如3級(jí)〕分壓，以便提高耐壓和便利補(bǔ)償與調(diào)試。典型接線如3-13電壓互感器

3-13典型電阻網(wǎng)絡(luò)線路圖承受互感器的最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離力量，缺點(diǎn)是本錢高。其電路圖如圖3-14UU式中u〔t〕——被測電壓；UU

u〔t〕＝K

u〔t〕Uu〔t〕——送給乘法器的等效電壓。U二、乘法器電路

3-14電壓互感器電路圖模擬乘法器是一種完成兩個(gè)互不相關(guān)的模擬信號(hào)〔如輸入電能表內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流〕3-15X U0〕KUU式中KX 3-15乘法器表示方式從乘法的代數(shù)概念動(dòng)身，乘法器具有四個(gè)工作區(qū)域，由它的兩個(gè)輸入電壓極性來確定。依據(jù)兩個(gè)輸入電壓的不同極性，乘積輸出的極性有四種組合，可以用圖3-16平面中的四個(gè)象是單象限乘法器。3-16模擬乘法器的工作象限圖每一種乘法器電路都能適用電子式電能表，下面介紹電子式電能表中常用的乘法器?！惨弧硶r(shí)分割乘法器1211x時(shí)分割模擬乘法器的工作過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)被測對(duì)象進(jìn)展調(diào)寬調(diào)幅的工作過程供給的節(jié)拍信號(hào)的周期TuxT、1211xT2之差〔時(shí)間量〕uxT

－T＝Ku

；再以此脈沖寬度掌握2y與uxuyu＝Ku2y

；最終將調(diào)x 寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出電壓U0為每個(gè)周期T內(nèi)電壓u的平均值，它反映了u、u兩同頻電壓乘積的平均值，實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖3-17x 3-17調(diào)寬調(diào)幅波示意圖也有的時(shí)分割乘法器對(duì)電流信號(hào)i、i進(jìn)展調(diào)寬調(diào)幅處理，輸出的直流電流信號(hào)I表示x y 0i i x y乘法器。u 承受三角波作為節(jié)拍信號(hào)的電壓型時(shí)分割乘法器的電路原理如圖3-18所示。被測電壓轉(zhuǎn)換為 ，被測電流轉(zhuǎn)換成電壓u x yN1和電容C1R1R2輸入的電流作求和積分；﹢UN和﹣UN是正、負(fù)基準(zhǔn)電壓，在電路的設(shè)計(jì)中，基準(zhǔn)電壓UN的幅值應(yīng)比輸入電壓ux大得多；S1、S2為兩個(gè)受電平比較器掌握并同時(shí)動(dòng)作的開關(guān)；電平比較器是具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的直流觸發(fā)器；運(yùn)算放大器N2、電阻R4和電容C2組成了濾波器。積分輸出電壓u1和三角波1 u2u＞u1 N y 1 2y 1 2 平，S1、S2分別接﹣U、﹣u；當(dāng)u＜u時(shí)，電平比較器輸出高電平，S1、S2分別接﹢UN、﹢uu＝u時(shí)，為比較器轉(zhuǎn)換狀態(tài)。乘法器的輸出電壓US2的動(dòng)作所得到的幅度為士uyN y 1 2y 1 2 的波形如圖3-193-18三角波信號(hào)的時(shí)分割乘發(fā)器電路原理圖調(diào)寬功能單元1 2 1 假定輸入電壓ux為正值，積分器接通ux和﹢UN，輸出電壓u1a點(diǎn)〔見圖3-19〕漸漸向下變化ab段，在abuu，到達(dá)buu1 2 1 1 1 2 N1 2 N 1由于三角波電壓連續(xù)向上變化，致使u＜u，于是電平比較器輸出高電平，S1接通﹣U，積分器輸出電壓u1轉(zhuǎn)而漸漸向上變化bc段，到達(dá)cu＝u，緊接著三角波電壓連續(xù)下降，u＞u，電平比較器輸出低電平，S1接通﹢Uu再次向下變化……。如此反復(fù)，積分器輸出電壓u1 1 2 N1 2 N 11N212S1接通﹢UNT1N212

，接通﹣U

T

T

＋T＝T。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)T T 1 2uxUN

uT

U T 0R R 1 R R 21 2 1 2Uux(TT) N(TU

T)0R 1 21

R 1 22T R2T u1 2 RU x1 N2 即開關(guān)S1接通﹣UN、﹢UN的時(shí)間差〔T－T〕與輸入電壓ux2 調(diào)幅功能單元

3-19三角波信號(hào)的時(shí)分割乘發(fā)器波形圖yS2S1T1期間接通﹢uy

u為﹢u，y y yT2期間接通﹣uu變?yōu)椹乽。經(jīng)濾波器輸出后，得到電壓Uuy y yU u

TT 1 2T

R2 uu

Kuu

ui0 y T RU x y x y1 N即輸出電壓U0與uiui相應(yīng)于ui乘積的平均值，亦即平均功率。ux的最大幅值有肯定限制，它的正邊界是當(dāng)T1＝0、T2＝T時(shí)﹣UN所能平衡的ux值，負(fù)邊界是當(dāng)T1＝T、T2＝0時(shí)﹢UN所能平衡的ux值，因此ux的幅值應(yīng)滿足條件RU1 NR2

RUx＜u ＜1 NxR2u 至于，其輸入幅值僅受為獵取﹣u y y型的模擬乘法器相比，時(shí)分割模擬乘法器的制造技術(shù)比較成熟且工藝性好，原理較為先進(jìn)，0.01級(jí)，根本上解決了如何提高準(zhǔn)確度的問題。其主要缺點(diǎn)是帶寬較窄，僅為數(shù)百赫茲?！捕硵?shù)字乘法器0～1的全范圍內(nèi)保證電能表的測量準(zhǔn)確度。這是多種模擬乘法器難以勝任的。承受數(shù)字乘法器的全電子式電能表的根本構(gòu)造框圖如圖3-20微處理器掌握雙通道A／D能并累計(jì)電能。平均功率表示為P1T式中T——溝通電壓、電流的周期。

Tu(t)i(t)dt03-20數(shù)字乘法器的電能表構(gòu)造框圖以△t為時(shí)間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對(duì)電壓、電流同時(shí)進(jìn)展采樣，則P1T

N

u(k)i(k)TNt電能測量與功率因數(shù)無關(guān)的結(jié)論，這是這類電能表的一個(gè)重要特點(diǎn)。A／D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以無視。通過軟件來完成采樣及乘法計(jì)算的準(zhǔn)確度與△t的選取有關(guān)。△t越小，準(zhǔn)確度越高，但計(jì)算量將增加，且會(huì)使實(shí)時(shí)性變鎖相技術(shù)將采樣頻率自動(dòng)地鎖定在輸入信號(hào)頻率的N倍上，這樣可以在輸入頻率發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整采樣間隔，使時(shí)鐘的漂移變化也不會(huì)給測量帶來誤差。使用微處理器技術(shù)制造全電子式電能表的前景格外看好，但本錢高是其商品化的一個(gè)能優(yōu)越，在將來先進(jìn)的電能治理領(lǐng)域中肯定會(huì)廣為應(yīng)用。三、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器11 2 1 0 目前承受的電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，大多是利用積分方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。電子式電能表常用的雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖3-21N和電容CU、U3-22S接通﹢U時(shí)，電容C充電，輸出電壓0往負(fù)向變化ab段；當(dāng)?shù)竭_(dá)比較器的下限電平2S接通﹣U，CU往正向變化；當(dāng)?shù)竭_(dá)比較器的上限電平U時(shí)，S再次接通十U，如此反復(fù)，達(dá)穩(wěn)態(tài)后，便得到了周期為T的三角波。由于ab段和cd段的積分斜率是一樣的，故積分時(shí)間也相等，均為11 2 1 0 U U1T1 2 RC 2得到輸出電壓U0的頻率f1 1 U UT 2RC(U1即輸出頻率f與輸入電壓U1成正比。

U ) i i23-21雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路圖3-22雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的波形圖這種電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的R、C元件，可使其準(zhǔn)確度長期保持在±0.1％的水平。四、分頻計(jì)數(shù)器在機(jī)電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)；而在電子式電能表中，電能信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)脈沖信號(hào)的工作是由乘法器及電壓／頻率轉(zhuǎn)換器完成的是為了便于取出電能計(jì)量單位的位數(shù)〔如百分之一度位；另一方面是考慮到計(jì)數(shù)器長期計(jì)數(shù)的容量問題。輸入的頻率信號(hào)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)。在電子式電能表中，分頻器和計(jì)數(shù)器一般承受CMOS集成電路器件。這是由于集成電元器件組成的電路。3-23fx3-23〔b〕所示。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)經(jīng)分頻后作為時(shí)間基準(zhǔn)。分頻后的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，如圖3-23〔b〕B點(diǎn)的波形也送至掌握門，于是掌握門翻開，將計(jì)數(shù)3-23〔b〕C點(diǎn)的波形。計(jì)數(shù)器可記錄時(shí)間T內(nèi)通過掌握門的脈沖數(shù)，每一個(gè)脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計(jì)算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來?！瞐〕 〔b〕3-23分頻計(jì)數(shù)器原理框圖五、顯示器

〔〕b〕脈沖波形目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶LC、發(fā)光二極管LE、熒光管FI?！睱CD〕是利用液晶在肯定電場下發(fā)生光學(xué)偏振而產(chǎn)生不同透光率來實(shí)現(xiàn)顯示功能的。它依據(jù)光學(xué)原理可分為透射式、反射式和半透半反射式；依據(jù)視角大小可分為TN型〔視角為90o〕和STN型〔視角可達(dá)160o〕兩種；依據(jù)工作溫度范圍可分為普遍型0～65o〕和寬溫型〔3085o。液晶顯示器在靜態(tài)直流電場下壽命很短〔千小時(shí)，而在動(dòng)態(tài)交變電場下壽命很長〔可達(dá)20萬h；除具有長壽命的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有功耗小〔小于10μ，在有肯定采光度時(shí)顯示比照強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管〔LED〕強(qiáng)度可將其分為普亮、高亮和超高亮3種。發(fā)光二極管顏色有紅、綠、黃等多種，具有溫度范圍寬〔4～85o、在弱光背景下顯示醒目和低本錢等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是壽命短〔一般為3萬5萬h、耗電大〔一般510m、露天下顯示不清等。熒光顯示板〔FIP〕是利用特種熒光物質(zhì)在肯定電場和肯定紅外線熱能下產(chǎn)生肯定亮度的可見熒光來實(shí)現(xiàn)顯示功能的。除本錢高缺點(diǎn)外，其優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)光二極管根本一樣。以上是全電子式電能表的構(gòu)造原理及各硬件局部的具體分析，那么，全電子式電能表是怎樣運(yùn)用于我們的日常生活中的呢？一、全電子式電能表的采樣方式當(dāng)前電子式電能表對(duì)用戶用電采樣方式主要有兩種形式。一種是用互感器采樣,另一種電流信號(hào);直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號(hào),而用電阻溫度系數(shù)非,在起動(dòng)電流.線性范圍.功耗和精度等指標(biāo)皆不如直接采樣,:20A時(shí),直接采樣的啟動(dòng)電流為20mA,40mA:承受專用的錳銅片進(jìn)展直接電流采樣的全電子電能表誤差可調(diào)整到0.5%,而承受電流互感器采樣,由于激磁電存在,假設(shè)不實(shí)行補(bǔ)償措施,互感器本身誤差就可能超過5%。利用互感器采樣的的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性較強(qiáng),線路簡潔,本錢低。二、全電子式電能表的多費(fèi)率電子式多費(fèi)率電能表在市場經(jīng)濟(jì)下,依據(jù)用電的性質(zhì)不同,地區(qū)不同,時(shí)段不同等實(shí)行多種電價(jià)制已是理所固然。要推行多種電價(jià)制,除國家要制定有關(guān)法規(guī)和準(zhǔn)則外,還必需要有相天用電的峰.平.谷的實(shí)際狀況,分時(shí)段地進(jìn)展計(jì)量,多費(fèi)率電能表早期主要用于工業(yè)用戶,隨著我國家庭用電量的不斷增加和我國電業(yè)市場的商品化改革,近一年來分時(shí)段多費(fèi)率電能培長達(dá)238%,而傳統(tǒng)電能表比去年同期下降24%。今年國家還修訂了多費(fèi)率電能表的標(biāo)準(zhǔn),即GB/T15284-2023《多費(fèi)率電能表特別要求》與此相適應(yīng)的分時(shí)電能表的專用集成電路也相繼面世,這必將為多費(fèi)戶電能表的進(jìn)展供給了更寬闊的前景。三、全電子式電能表的抄表方式4.電子式電能表的抄表方式全電子式電能表的抄表方式主要有以下幾種:(1)人工抄表:依據(jù)表頭顯示進(jìn)展抄表。(2)手持紅外抄表器抄表:手持紅外抄表器抄表它是一個(gè)帶有紅外收發(fā)的單片機(jī)掌握3米以外通過紅外收集電能表顯示的數(shù)據(jù),一塊抄表器可同時(shí)存儲(chǔ)幾千戶的用電數(shù)據(jù),依據(jù)需要它可以通過并行口用微型打印機(jī)打印輸出,或通過計(jì)算機(jī)的輸入口,輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)治理,它具有體積孝重量輕.攜帶便