第三章電子式電能表及特種電能表

1、第三章第三章 電子式電能表及特種電能表電子式電能表及特種電能表 引論： 電子式電能表出現(xiàn)于20世紀(jì)60代，由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，電子式電能表的價(jià)格很高，僅供標(biāo)準(zhǔn)表用。 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，80 年代出現(xiàn)了應(yīng)用微處理機(jī)的電能表，不僅用于標(biāo)準(zhǔn)表，且廣泛應(yīng)用于安裝式電能表。 電子電能表因準(zhǔn)確度高、體積小、重量輕、功能多，且性價(jià)比高，前景十分廣闊。本章主要內(nèi)容n 第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理n 第二節(jié) 脈沖電能表和最大需量電能表n 第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表n 第四節(jié) 多功能電子式電能表n 第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理一、電子式

2、電能表工作原理 電子式電能表可分為機(jī)電式式電能表和全電子式電能表，本章主要講述全電子式電能表。 電能計(jì)算的基本表達(dá)式為： 電子式電能表通過將功率轉(zhuǎn)換為脈沖功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)功率在時(shí)間上的累計(jì)，完成電能的計(jì)量。該脈沖稱為電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖 fH (或fL), 其頻率正比于負(fù)荷功率。dttitudttptW)()()()(第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理二、電子式電能表組成輸入級(jí)直流電源P/f 變換器計(jì)數(shù)顯示控制電路乘法器第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理1、輸入級(jí) 電子式電能表中必須有電壓和電流輸入電路。其作用：一方面將被測(cè)信號(hào)按照一定比例轉(zhuǎn)換成電子電路能處理的低電壓和小電流輸入到乘法器中，另一方面

3、使乘法器和電網(wǎng)隔離，減小干擾。 變換方法： （1）精密電阻輸入變換電路 （錳銅片分流器、分壓器）。 （2）電壓互感器、電流互感 器輸入電路（主要用于存在線電 壓、多量程電能表中）。第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理2、乘法器 作為輸出功率的器件，作用是實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓和電流的乘積。乘法器模擬乘法器數(shù)字乘法器時(shí)分割乘法器霍爾乘法器硬件乘法器（由移位寄存器和加法器組成）軟件乘法器（利用乘法指令實(shí)現(xiàn)）第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理n 時(shí)分割乘法器n 基本思想是通過采樣方法將處理信號(hào)離散化，m為單位周期內(nèi)電流電壓采樣次數(shù)，基本計(jì)算公式為： 負(fù)載在一個(gè)周期內(nèi)消耗的電能近似等于m個(gè)電壓、電流相乘再求和。m 取

4、值越大，上述近似計(jì)算產(chǎn)生的誤差越小。由此，時(shí)分割乘法器的基本思想有兩個(gè)，即分割和相乘。mkkkTiutuidtW10時(shí)分割乘法器電流型：被測(cè)電壓、電流以及功率都以電流形式表示電壓型：由于尖峰電壓干擾，現(xiàn)在基本不用第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理（a） 原理電路（b）電路工作波形調(diào)寬調(diào)幅第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理(2)霍爾乘法器 U H = K H I B KH 為霍爾元件的靈敏度，UH為霍爾電 動(dòng)勢(shì)。 由被測(cè)電壓u產(chǎn)生磁場，被測(cè)電流i通過霍爾元件，則霍爾電動(dòng)勢(shì)就能反映被測(cè)電壓、電流的相乘積。 霍爾乘法器是一個(gè)四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可達(dá)0.3%左右。工作頻率在10kHz以內(nèi)。n優(yōu)點(diǎn)

5、：頻率響應(yīng)寬，準(zhǔn)確度能長期保證；抗干擾能力強(qiáng)；可以不需要電流互感器，不存在互感器引入的誤差。n缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，準(zhǔn)確度也不容易達(dá)到很高。第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理(3) 數(shù)字乘法器 數(shù)字乘法器是將數(shù)字量相乘，首 先將被測(cè)電壓、電流的模擬量變?yōu)閿?shù) 字量，然后相乘。n 采用硬件乘法電路：由移位寄存器、加法器和時(shí)序控制電路組成 運(yùn)算速度高，但需提供硬件電路。n 采用軟件乘法器：利用計(jì)算機(jī)的乘法指令實(shí)現(xiàn)數(shù)字量相乘，這實(shí)際是 利用一系列的累加和移位完成運(yùn)算的。運(yùn)算速度較慢，但可節(jié)約硬件。第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理3、P/f 變換器 P/f 變換器是把乘法器輸出的代表有功功率的信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)脈沖，

6、并且用脈沖頻率的高低來代表功率大小的電路。它和計(jì)數(shù)器一起實(shí)現(xiàn)電能測(cè)量中的積分運(yùn)算。4、計(jì)數(shù)、顯示、控制電路 (1) 計(jì)數(shù)器對(duì)P/f 變換器的輸出脈沖計(jì)數(shù)，累計(jì)電能，從而完成積分運(yùn)算； (2) 顯示器顯示電能表所測(cè)量的電能，有字輪計(jì)度器、 液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示器幾種類型； (3) 控制電路用于實(shí)現(xiàn)電子式電能表的各種功能。第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理5、直流電源 (1)作用：為各部分電子電路的工作提供合適的直流電壓。 (2)結(jié)構(gòu)：由降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等幾部分組成。第一節(jié)第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理三、電能計(jì)量模塊 1、電能計(jì)量模塊特點(diǎn) (1

7、)專用電能計(jì)量模塊不僅集成了乘法器、 P/f 變換電路，還包含相位調(diào)整電路、電源監(jiān)測(cè)電路、接口電路等其它電路。 (2)采用這些模塊只需配以少量的外圍電路就能制造出滿足各種需要的電子式電能表。第一節(jié)第一節(jié) 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理2、電能計(jì)量模塊分類 (1)電子式電能表的核心計(jì)量芯片按工作原理可分為：n 數(shù)字式計(jì)量芯片。采用DSP 技術(shù)、以數(shù)字乘法器為核心。它運(yùn)用高準(zhǔn)確度的、快速A/D轉(zhuǎn)換器，可編程增益控制等最新技術(shù)。n 模擬計(jì)量芯片。以模擬乘法器為核心。(2)這兩種芯片的基本工作原理有根本的不同：數(shù)字式芯片在計(jì)量準(zhǔn)確度、線性度、穩(wěn)定性、抗干擾、溫度漂移和時(shí)間漂移等方面遠(yuǎn)

8、遠(yuǎn)優(yōu)于模擬式芯片。第二節(jié) 脈沖電能表和最大需量電能表一、脈沖電能表1、脈沖電能表基本結(jié)構(gòu) 脈沖電能表是一種將電能參數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖輸出的表計(jì)。將感應(yīng)式電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖送至電子電路進(jìn)行處理，構(gòu)成機(jī)電一體式預(yù)付費(fèi)電能表、多功能電能表等表計(jì)。 脈沖電能表主要由感應(yīng)式測(cè)量機(jī)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換器和分頻器、計(jì)數(shù)器三大部分組成。第二節(jié) 脈沖電能表和最大需量電能表2、光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器（又稱光電頭）由發(fā)光器件和光敏器件組成。 發(fā)光器件采用發(fā)光二極管光敏器件采用光敏三極管。（a）穿透式光電頭（b）反射式光電頭第二節(jié) 脈沖電能表和最大需量電能表二、最大需量電能表1、最大需量概念 在一定結(jié)算期內(nèi)（如一個(gè)月），所

9、有用戶需量中的最大值，即為該用戶的當(dāng)月最大需量，可用MD表示。每次抄表后，最大需量應(yīng)復(fù)位（ 清零）。2、計(jì)量最大需量的意義 大工業(yè)用戶申請(qǐng)接電時(shí)，必須申報(bào)其變壓器裝機(jī)容量及最大需量，供電部門根據(jù)容量或最大需量設(shè)計(jì)、敷設(shè)新線路及配置供電設(shè)備。第二節(jié) 脈沖電能表和最大需量電能表3、最大需量測(cè)量方法 (1)區(qū)間式：每隔15min依次測(cè)量平均功率，然后對(duì)每個(gè)平均值進(jìn)行比較取得最大值 。 (2)滑差式：每隔1min計(jì)算一次15min的平均功率。最大需量的測(cè)量方法（a）區(qū)間式求MD （b）滑差式求MD第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表一、預(yù)付費(fèi)電能表1、定義：預(yù)付費(fèi)電能表又叫購電式電能表，是一種用戶必須

10、先付電費(fèi)，然后才可用電的電能表。用電戶通過介質(zhì)將所購電能數(shù)預(yù)置到該電能表中，電能表據(jù)此數(shù)據(jù)經(jīng)處理、識(shí)別而提供用戶用電。2、分類：按使用介質(zhì)的不同，預(yù)付費(fèi)電能表的發(fā)展大抵經(jīng)歷了投幣式、磁卡式、電卡式、IC卡式等幾個(gè)階段。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表3、預(yù)付費(fèi)電能表基本結(jié)構(gòu)預(yù)付費(fèi)電能表組成框圖電能計(jì)量部分微處理器控制第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表(1)電能計(jì)量部分 電能計(jì)量部分使用單相電能測(cè)量專用集成電路。工作原理： 由分壓器完成電壓取樣，由取樣電阻完成電流取樣，取樣后的電壓電流信號(hào)由乘法器轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)，經(jīng)U/f 變換后,產(chǎn)生表示用電多少的脈沖序列。 P(fH) 經(jīng)光偶隔離后輸出,

11、用作校驗(yàn)脈沖,與光偶相串的發(fā)光二極管可作電能計(jì)量指示。P(fH) 經(jīng)16分頻和驅(qū)動(dòng)后成為低頻電能脈沖P(fL)，累計(jì)此脈沖即可計(jì)算有功電能，所以此脈沖經(jīng)光偶隔離后送給單片機(jī)，進(jìn)行電能計(jì)量。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表(2)單片微處理器 微處理器（即單片機(jī)）作IC卡及顯示器接口，同時(shí)兼作竊電檢測(cè)和超負(fù)荷控制。 有竊電或超負(fù)荷時(shí)，蜂鳴器鳴叫；超負(fù)荷時(shí)，輸出控制信號(hào)給斷電機(jī)構(gòu)，使預(yù)付費(fèi)電能表除具有計(jì)量電能的基本功能外，還可控制負(fù)荷，并防止竊電。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表(3)非易失存儲(chǔ)器 為了在交流斷電時(shí)，能永久保存重要數(shù)據(jù)，并且上電時(shí)能恢復(fù)數(shù)據(jù)，微處理器經(jīng)串行外圍接口外擴(kuò)非易失數(shù)

12、據(jù)存貯器。非易失數(shù)據(jù)存貯器采用串行EEPROM，它具有在線快速讀/寫功能，可擦寫100萬次以上，數(shù)據(jù)可保持20年。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表(4)液晶顯示器 顯示器采用液晶顯示器 ，液晶顯示器分通用型和專用型。通用型一般除有液晶顯示屏外，還帶有自己的控制器和驅(qū)動(dòng)器，使用簡便，價(jià)格較高。專用型一般僅有液晶顯示屏，顯示屏是根據(jù)應(yīng)用場合，自己設(shè)計(jì)顯示的字符與符號(hào)，它本身不帶控制器和驅(qū)動(dòng)器，專用型價(jià)格便宜，編程較麻煩，需另配控制器和驅(qū)動(dòng)器。 電能表的液晶顯示器大部分是專用型。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表5、超負(fù)荷斷電和防竊電功能 (1)超負(fù)荷斷電：微處理器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)電能計(jì)量部分送

13、入的電能計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)、計(jì)算功率和電能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超負(fù)荷（電流過大）時(shí)，就輸出超負(fù)荷控制脈沖信號(hào)，控制斷電機(jī)構(gòu)切斷供電，單片機(jī)累計(jì)超負(fù)荷次數(shù)，若在三次以內(nèi)，則延遲一段時(shí)間后就可自動(dòng)恢復(fù)供電。 (2)防竊電第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表二、分時(shí)計(jì)量電能表1、基本概念：分時(shí)計(jì)量電能表又稱為復(fù)費(fèi)率電能表，是一種按不同時(shí)段分別計(jì)量用戶用電情況的電能表。2、作用：按照電力負(fù)荷的大小，一天24h分為用電的頂、平、峰、谷等不同時(shí)段，供電部門對(duì)不同時(shí)段的用電實(shí)行不同電價(jià)，用經(jīng)濟(jì)手段鼓勵(lì)用戶主動(dòng)采取避峰填谷的措施，從而使電力負(fù)荷曲線變緩，以提高發(fā)電設(shè)備的利用率，同時(shí)減小由于負(fù)荷曲線變化太大而引起的不安全因素。第

14、三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表3、基本結(jié)構(gòu)分時(shí)計(jì)量電能表框圖第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表一、基本組成(1)分壓器、電流互感器(2)電能計(jì)量模塊(3)非易失存儲(chǔ)器(4)單片微處理器(5)紅外通信三相電子式多功能電能表的組成框圖第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表二、主要功能 可計(jì)量有功、無功，具有分時(shí)、測(cè)量需量功能，可現(xiàn)實(shí)、存儲(chǔ)和輸出數(shù)據(jù)。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表三、各模塊主要功能1、分壓器、電流互感器(1)電壓輸入電路。采用電阻分壓器。電阻分壓器具有非常好的線性度，可最大限度地減小在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的相移，從而減小電壓輸入電路所產(chǎn)生的誤差。電阻分壓器將電壓輸入按比例減小到適

15、合電能計(jì)量模塊。(2)電流輸入電路。采用高精度繞組電流互感器。電流互感器按比例減小線路電流，以適合電能計(jì)量模塊。第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表2、電能計(jì)量模塊(1)電能計(jì)量模塊采用專用電能計(jì)量芯片 （IC），該芯片內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （A/D）和數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）。電能計(jì)量芯片按一定的速率對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。采樣速率決定電能表的準(zhǔn)確度，速率越高，準(zhǔn)確度也就越高。DSP 對(duì)電壓、電流進(jìn)行乘積和其他各種運(yùn)算。(2)三相三線電子式多功能電能表采用兩表法來測(cè)三相三線電路的有功及無功的電能，三相四線電子式多功能電能表采用三表法來測(cè)三相四線電路的有功及無功的電能。第三節(jié) 預(yù)

16、付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表3、非易失存儲(chǔ)器 非易失存儲(chǔ)器采用EEPROM用于保存所有與需量運(yùn)算!分時(shí)運(yùn)算有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。4、單片微處理器 單片機(jī)定時(shí)從電能計(jì)量模塊取出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過修正運(yùn)算以后送入電量累加單元，同時(shí)根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)計(jì)算出功率、電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，并計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量，等第三節(jié) 預(yù)付費(fèi)電能表和分時(shí)計(jì)量電能表5、紅外通信 電表具有紅外通信接口，可使用掌上電腦對(duì)其編程和抄錄數(shù)據(jù)，抄錄的數(shù)據(jù)可送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。6、電源 電源即直流穩(wěn)壓電源，由三相變壓器降壓、全波整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器組成，如圖：電源組成框圖第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整一、誤差主要來源 表

17、內(nèi)分流器或電流互感器、表內(nèi)分壓器或電壓互感器、乘法器。第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整 二、分流器引起誤差 錳銅分流器的電阻隨著溫度的變化而發(fā)生非線性變化，這會(huì)引起電子式表誤差對(duì)溫度變化發(fā)生非線性變化。錳銅電阻對(duì)溫度關(guān)系曲線第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整三、電流互感器TA引起的誤差 勵(lì)磁電流I0 的存在造成了電流互感器的誤差。 (1)電流互感器的誤差主要與一次回路電流、二次負(fù)載和工作頻率有關(guān)。 (2)一次回路電流與誤差絕對(duì)值及相位差誤差成反比 (3)二次負(fù)載與誤差絕對(duì)值成正比、與相位差誤差成正比 頻率 （25100Hz）對(duì)誤差影響很小電流互感器的等效電路第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性

18、及調(diào)整四、分壓器引起的誤差 (1)溫度誤差 ：對(duì)于0.5級(jí)以下準(zhǔn)確度的表，其誤差隨溫度變化可以忽略不計(jì)。 (2)一次電壓誤差：因?yàn)槠錇殡娮璺謮?，一次電壓變化?duì)誤差影響幾乎為零。 (3)負(fù)載影響：乘法器電壓回路輸入電路的電阻相對(duì)于幾十千歐的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)為無窮大,故而負(fù)載引起的誤差幾乎為零。 (4)頻率影響：因?yàn)槠錇殡娮璺謮?又采用金屬膜電阻,頻率變化 (01kHz)對(duì)誤差影響幾乎為零。第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整五、電壓互感器TV引起的誤差 的大小和相位均不等于 ,這就造成電壓互感器TV 的誤差。2212101)(UZZIZIU電壓互感器的等效電路2U 1U 第五節(jié) 電子式電能表的誤差特

19、性及調(diào)整六、乘法器引起的誤差1、 模擬乘法器引起的誤差(1)輸入電壓特性：模擬乘法器是由運(yùn)算放大器和其他電路實(shí)現(xiàn)的，故其誤差隨輸入電壓的變化有非線性變化的特性(2)輸入頻率特性：模擬乘法器在很寬的頻率范圍（251kHz）內(nèi)特性穩(wěn)定，幾乎不受頻率影響(3)溫度特性：模擬乘法器采用先進(jìn)的大規(guī)模集成電路技術(shù)，這使其溫度特性很好，溫度變化在(-40850C)范圍內(nèi)第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整2、數(shù)字乘法器引起的誤差 數(shù)字乘法器采用高準(zhǔn)確度 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化,然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)乘法運(yùn)算。除A/D轉(zhuǎn)換引起誤差外，線性范圍很寬 ，溫度和頻率特性很好，誤差的變化可忽略不計(jì)。因而可以做到10倍以上過載的寬量程電能表.第五節(jié) 電子式電能表的誤差特性及調(diào)整七、電子式電能表誤差的調(diào)整 1、調(diào)整分壓器中的可調(diào)整電阻 電子式電能表在電能計(jì)量模塊的輸入端對(duì)被測(cè)電壓取樣的分壓器設(shè)有可以調(diào)整的電阻，用于在出廠前調(diào)整電能表的準(zhǔn)確度和線性。 2、采用軟件調(diào)整 軟件調(diào)試的原理是單片機(jī)將從電能計(jì)量模塊讀出的原始數(shù)據(jù)乘一個(gè)修正系數(shù)，使測(cè)量值與真實(shí)值基本一致。小結(jié)n 電子式電能表和感應(yīng)式電能表具有相同的計(jì)量電能的功能，但兩者的結(jié)構(gòu)和工作原理卻截然不同。n 電子式電能表包括安裝式電子電能表和標(biāo)準(zhǔn)電子電能表。復(fù) 習(xí) 思 考 題n 1 簡述電子式電能表的工作原理。n 2 畫