全電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理

全電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理近年來，進入我國電力系統(tǒng)的電子式電能表逐年增多，并廣泛應用在電能計量和計費工作中。電子式電能表有較好的線性度和穩(wěn)定度，具有功耗小，電壓和頻率的響應速度快，測量精度高等諸多優(yōu)點。在學習了《智能儀器與電子測量》的課程以后，在老師的帶領下，我也對智能儀器產(chǎn)生了一絲興趣。生活中，電能表是每家每戶的必需品，也是常見的智能儀表，下面我就介紹一下這個生活中的必需品。電子式電能表是怎樣來計量電能的呢？電子式電能表是在數(shù)字功率表的基礎上發(fā)展起來的，采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量，其工作原理框圖如圖3-10所示。被測量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器M，乘法器M完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，U被轉(zhuǎn)換成相應的脈沖頻率f,將該頻率分頻，并通過一段時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)，顯示出相應的電能。電壓變換器 一I電疣變換器U/f電壓變換器 一I電疣變換器U/f孌換數(shù)示制

計顯控fi圖3-10電子式電能表工作原理框圖一、輸入變換電路電子式電能計量儀表中必須有電壓和電流輸入電路。輸入電路的作用，一方面是將被測信號按一定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流輸入到乘法器中;另一方面是使乘法器和電網(wǎng)隔離,減小干擾。(一)電流輸入變換電路要測量幾安培乃至幾十安培的交流電流，必須要將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男⌒盘柦涣麟妷?或電流)，否則無法測量。直接接入式電子式電能表一般采用錳銅分流片；經(jīng)互感器接入式電子式電能表內(nèi)部一般采用二次側(cè)互感器級聯(lián)，以達到前級互感器二次側(cè)不帶強電的要求。1.錳銅片分流器以錳銅片作為分流電阻RS，當大電流i(t)流過時會產(chǎn)生相應的成正比的微弱電壓Ui(t),其數(shù)學表達式為Ui(t)=i(t)R該小信號Ui(t)送入乘法器，作為測量流過電能表的電流i(t)。其原理圖如3-11所/示。錳銅分流器和普通電流互感器相比，具有線性好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點。錳銅分流器A選用F2錳銅片，厚度2mm,取樣電阻Rs選175mQ則當基本電流為5A時，1、2之間的取樣信號Ui=0.875mV。圖3-11錳銅分流器測量電器原理圖圖3-11錳銅分流器測量電器原理圖2.電流互感器采用普通互感器(電磁式)的最大優(yōu)點是電能表內(nèi)主回路與二次回路、電壓和電流回路可以隔離分開，實現(xiàn)供電主回路電流互感器二次側(cè)不帶強電，并可提高電子式電能表的抗干擾能力。其原理框圖如圖3-12所示。(a)(b)(a)(b)圖3-12電流互感器電氣原理圖(a)穿線式；(b)接入式i(t)=K[iT(t)式中i(t)——流過電能表主回路的電流；iT(t)——流過電流互感器二次側(cè)的電流；KI――電流互感器的變比。u(t)=i(t)R=xRTLKLI式中u(t)――送往電能計量裝置的電流等效電壓；rl――負載電阻。(二)電壓輸入變換電路和被測電流一樣，上百伏(100V或220V)的被測電壓也必須經(jīng)分壓器或電壓互感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男‰妷盒盘枺娇伤腿氤朔ㄆ?。電子式電能表?nèi)使用的分壓器一般為電阻網(wǎng)絡或電壓互感器。1.電阻網(wǎng)絡采用電阻網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是線性好、成本低，缺點是不能實現(xiàn)電氣隔離。實用中，一般采用多級(如3級)分壓，以便提高耐壓和方便補償與調(diào)試。典型接線如圖3-13所示。2.電壓互感器采用互感器的最大優(yōu)點是可實現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離，并可提高電能表的抗干擾能力，缺點是成本咼。其電路圖如圖3-14所示。

u(t)=KUuU(t)式中u(t)——被測電壓；uU(t)送給乘法器的等效電壓。圖3-14電壓互感器電路圖二、乘法器電路模擬乘法器是一種完成兩個互不相關的模擬信號(如輸入電能表內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流)進行相乘作用的電子電路，通常具有兩個輸入端和一個輸出端，是一個三端網(wǎng)絡，如圖3-15所示。理想的乘法器的輸出特性方程式可表示為U0(t)=KUX(t)UY(t),式中K――是乘法器的增益。圖3-15乘法器表示方式從乘法的代數(shù)概念出發(fā)，乘法器具有四個工作區(qū)域，由它的兩個輸入電壓極性來確定。根據(jù)兩個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平面中的四個象限來具體說明。凡是能夠適應兩個輸入電壓極性的四種組合的乘法器，稱為四象限乘法器。若一個輸入端能夠適應正、負兩極性電壓，而另一個輸入端只能適應單一極性電壓的乘法器,則稱為二象限乘法器。若乘法器在兩個輸入端分別限定為某一種極性的電壓能正常工作，它就是單象限乘法器。<4|-圖3-16模擬乘法器的工作象限圖<4|-圖3-16模擬乘法器的工作象限圖實現(xiàn)兩個輸入模擬量相乘的方法有多種多樣。乘法器是電子式電能表的核心部分，并非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。（一）時分割乘法器時分割模擬乘法器的工作過程實質(zhì)上是一個對被測對象進行調(diào)寬調(diào)幅的工作過程。它在提供的節(jié)拍信號的周期T里，對被測電壓信號ux作脈沖調(diào)寬式處理，調(diào)制出一正負寬度T2之差（時間量）與ux成正比的不等寬方波脈沖，即T2-T1=K1ux；再以此脈沖寬度控制與u同頻的被測電壓信號u的正負極性持續(xù)時間，進行調(diào)幅處理，使u=K2u；最后將調(diào)寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出電壓U0為每個周期T內(nèi)電壓u的平均值，它反映了ux、uy兩0 xy同頻電壓乘積的平均值，實現(xiàn)了兩信號的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖3-17所示。-lati1?。?f￡■ —1圖3-17調(diào)寬調(diào)幅波示意圖也有的時分割乘法器對電流信號i、i進行調(diào)寬調(diào)幅處理，輸出的直流電流信號I0表示xy 0電流ix、iy乘積的平均值。前者稱為電壓平衡型時分割乘法器，后者稱為電流平衡型時分割xy乘法器。采用三角波作為節(jié)拍信號的電壓型時分割乘法器的電路原理如圖3-18所示。被測電壓轉(zhuǎn)換為u,被測電流轉(zhuǎn)換成電壓u。圖中電路的上半部分是調(diào)寬功能單元，下半部分是調(diào)xy幅功能單元。由運算放大器N1和電容q組成積分器，對經(jīng)R2輸入的電流作求和積分；+UN和-UN是正、負基準電壓，在電路的設計中，基準電壓UN的幅值應比輸入電壓ux大得多；S1、S2為兩個受電平比較器控制并同時動作的開關；電平比較器是具有兩個穩(wěn)態(tài)的直流觸發(fā)器；運算放大器N2、電阻R4和電容C2組成了濾波器。積分輸出電壓u1和三角波發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍三角波電壓u2都加到電平比較器上，當u1>u2時，電平比較器輸出低電平,S1、S2分別接-UN、-uy；當u1<u2時，電平比較器輸出高電平，S1、S2分別接+UN、+uy；當u1=u2時，為比較器轉(zhuǎn)換狀態(tài)。乘法器的輸出電壓U0就是由S2的動作所得到的幅度為士uy的不等寬方波電壓經(jīng)濾波后的直流成分。該乘法器電路若干單元輸出電壓的波形如圖3-19所示。圖3-18三角波信號的時分割乘發(fā)器電路原理圖1.調(diào)寬功能單元

假定輸入電壓ux為正值，積分器接通Ux和+UN，輸出電壓U1從a點（見圖3-19）逐漸向下變化（ab段），在ab段內(nèi)，u1＞u2，達到b點時，片=出。由于三角波電壓繼續(xù)向上變化，致使片＜出，于是電平比較器輸出高電平，S1接通-UN，積分器輸出電壓u1轉(zhuǎn)而逐漸向上變化（be段），達到c點時，片=出，緊接著三角波電壓繼續(xù)下降，片＞出，電平比較器輸出低電平，S1接通+UN，電壓u1再次向下變化……。如此反復，積分器輸出電壓u1呈鋸齒波形。設開關S1接通+UN的時間為片，接通-UN的時間為T2，且T1+T2=To當系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時，積分器在T]、T2時間段內(nèi)的總積分電荷量應為零，即U

—NR2U)U

—NR2-—NT=0R丿2丿(T(T+T)12■N(T-T12RU即開關S1接通-UN、+UN的時間差（T2-T1）與輸入電壓Ux成正比。%——零電V%——零電V一 圖3-19三角波信號的時分割乘發(fā)器波形圖2.調(diào)幅功能單元開關S2在比較器的控制下與S1同時動作，在T1期間接通+uy，輸出電壓u為+uy,在T2期間接通-uy，輸出電壓u變?yōu)?uy。經(jīng)濾波器輸出后，得到電壓U0為u的反向平均值T-TRU=-uX—2= 2—uu=Kuugui0yTRUxyxy1N即輸出電壓U0與ui成正比，因此整個電路是一個實現(xiàn)了u、i乘積運算的乘法器，它的輸出相應于ui乘積的平均值，亦即平均功率。在調(diào)寬電路中，受積分器積分電荷總量平衡條件的約束，對出的最大幅值有一定限制,它的正邊界是當片=0、T2=T時-UN所能平衡的ux值，負邊界是當T]=T、T2=0時+Un所能平衡的ux值，因此ux的幅值應滿足條件 '

RU RU—―1_NVuV―1—NRxR22至于Uy,其輸入幅值僅受為獲取-Uy的倒相器的動態(tài)范圍所限制。目前在全電子式電能表制造業(yè)中，采用時分割模擬乘法器的占有相當大比例。與其他類型的模擬乘法器相比，時分割模擬乘法器的制造技術比較成熟且工藝性好，原理較為先進,具有更好的線性度，其最突出的優(yōu)點是具有較高的準確度級別，可達到0.01級，基本上解決了如何提高準確度的問題。其主要缺點是帶寬較窄，僅為數(shù)百赫茲。(二)數(shù)字乘法器微處理器在全電子式電能表中主要用于數(shù)據(jù)處理，而在其測量機構(gòu)中的應用并不多。隨著芯片速度的提高和外部接口電路的更加成熟，微處理器的功能將得到充分發(fā)揮和擴展?？梢灶A計，應用數(shù)字乘法器技術來完成功率/電能測量的前景十分廣闊。采用數(shù)字乘法器，由計算機軟件來完成乘法運算，可以在功率因數(shù)為0?1的全范圍內(nèi)保證電能表的測量準確度。這是多種模擬乘法器難以勝任的。采用數(shù)字乘法器的全電子式電能表的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3-20所示。微處理器控制雙通道A/D轉(zhuǎn)換，同時對電壓、電流進行采樣，由微處理器完成相乘功能并累計電能。平均功率表示為P=1fu(t)xi(t)dt0式中T式中T圖3-20數(shù)字乘法器的電能表結(jié)構(gòu)框圖以At為時間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對電壓、電流同時進行采樣，則1P=—￡u(k)xi(k)k=1T=NAt這就是用軟件計算被測平均功率即有功功率的數(shù)學模型。從上式可以看出，平均功率的計算與功率求解過程與功率因數(shù)無關，因此，可以得出采用數(shù)字乘法器的全電子式電能表的電能測量與功率因數(shù)無關的結(jié)論，這是這類電能表的一個重要特點。A/D轉(zhuǎn)換器的準確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。通過軟件來完成采樣及乘法計算的準確度與At的選取有關。At越小，準確度越高，但計算量將增加，且會使實時性變差。由采樣理論可知，連續(xù)信號離散后得到的時間序列不丟失原信號的信息，不僅采樣頻率要滿足奈奎斯特定律，而且必須等分連續(xù)的信號周期，否則會產(chǎn)生測量誤差。為此采用軟件鎖相技術將采樣頻率自動地鎖定在輸入信號頻率的N倍上，這樣可以在輸入頻率發(fā)生變化

時自動調(diào)整采樣間隔，使時鐘的漂移變化也不會給測量帶來誤差。使用微處理器技術制造全電子式電能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一個主要障礙；數(shù)字乘法器的發(fā)展還要依靠于電路的集成和芯片價格的降低，但其功能強大、性能優(yōu)越，在未來先進的電能管理領域中一定會廣為應用。三、電壓/頻率轉(zhuǎn)換器目前采用的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，大多是利用積分方式實現(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3-21所示。運放N和電容C組成積分器，上下電平比較器有兩個比較電平U2。輸出電壓波形如圖3-22所示。當開關S接通+U]時，電容C充電，輸出電壓U0往負向變化（ab段）；當達到比較器的下限電平U2時，比較器控制開關S接通-U],C放電，電壓U0往正向變化；當達到比較器的上限電平?時，S再次接通十U],如此反復，達穩(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，故積分時間也相等，均為T/2。根據(jù)積分器輸入、輸出電壓關系U-U=竹x-1 2RC2得到輸出電壓U0的頻率UgU2RC(U-U)i12即輸出頻率f與輸入電壓U]成正比。2小1十12小1十1Lb''1圖3-21雙向積分式電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路圖圖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)換器的主要特點是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的R、C元件，可使其準確度長期保持在土0.1%的水平。四、分頻計數(shù)器在機電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號；而在電子式電能表中,電能信號轉(zhuǎn)化成相應脈沖信號的工作是由乘法器及電壓/頻率轉(zhuǎn)換器完成的。這兩種脈沖信號在送入計數(shù)器計數(shù)之前，需要先送入分頻器進行分頻，以降低脈沖頻率。這樣做，一方面是為了便于取出電能計量單位的位數(shù)（如百分之一度位）；另一方面是考慮到計數(shù)器長期計數(shù)的容量問題。所謂分頻，就是使輸出信號的頻率分為輸入信號頻率的整數(shù)分之一；所謂計數(shù)，就是對輸入的頻率信號累計脈沖個數(shù)。在電子式電能表中，分頻器和計數(shù)器一般采用CMOS集成電路器件。這是因為集成電路器件工作可靠性、抗干擾能力、功率消耗、電路保安和機械尺寸等一系列指標均優(yōu)于分立元器件組成的電路。圖3-23為分頻計數(shù)器原理框圖和脈沖波形。圖中電壓一一頻率轉(zhuǎn)換器送來的脈沖信號fx經(jīng)整形電路整形后，可輸出一系列規(guī)則的矩形波，并輸入到控制門，A點的波形如圖3-23（b）所示。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標準時鐘脈沖信號經(jīng)分頻后作為時間基準。分頻后的標準時鐘脈沖信號，如圖3-23（b）B點的波形也送至控制門，于是控制門打開，將計數(shù)脈沖輸出，得到如圖3-23（b）C點的波形。計數(shù)器可記錄時間T內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)，每一個脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來。（a） （b）圖3-23分頻計數(shù)器原理框圖（a）框圖；（b）脈沖波形五、顯示器目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶CLCD）、發(fā)光二極管（LED）、熒光管（FIP）。液晶顯示器（LCD）是利用液晶在一定電場下發(fā)生光學偏振而產(chǎn)生不同透光率來實現(xiàn)顯示功能的。它根據(jù)光學原理可分為透射式、反射式和半透半反射式；根據(jù)視角大小可分為TN型（視角為90。）和STN型（視角可達160。）兩種；根據(jù)工作溫度范圍可分為普遍型（0?65oC）和寬溫型（-30?85°C）。液晶顯示器在靜態(tài)直流電場下壽命很短（一般為幾千小時），而在動態(tài)交變電場下壽命很長（可達20萬h）；除具有長壽命的優(yōu)點之外，還具有功耗?。ㄐ∮?0卩A）,在有一定采光度時顯示對比強等優(yōu)點。發(fā)光二極管（LED）是利用特殊結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的二極管在施加正向工作電壓、具有一定工作電流時，發(fā)出某一特定波長的可見光來實現(xiàn)顯示功能的。根據(jù)同一正向工作電流下的發(fā)光強度可將其分為普亮、咼亮和超咼亮3種。發(fā)光二極管顏色有紅、綠、黃等多種，具有溫度范圍寬（-40?85。C）、在弱光背景下顯示醒目和低成本等優(yōu)點；缺點是壽命短（一般為3萬?5萬h）、耗電大（一般5?10mA）、露天下顯示不清等。熒光顯示板（FIP）是利用特種熒光物質(zhì)在一定電場和一定紅外線熱能下產(chǎn)生一定亮度的可見熒光來實現(xiàn)顯示功能的。除成本咼缺點外，其優(yōu)缺點和發(fā)光二極管基本相同。以上是全電子式電能表的結(jié)構(gòu)原理及各硬件部分的詳細分析，那么，全電子式電能表是怎樣運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前電子式電能表對用戶用電采樣方式主要有兩種形式。一種是用互感器采樣,另一種為直接采樣。采用互感器采樣即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號和電流信號;直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡來取得電壓信號,而用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進行電流直接采樣。采用互感器采樣,在起動電流.線性范圍.功耗和精度等指標皆不如直接采樣，尤其是小電流時更為突出。例如:額定電流為20A時，直接采樣的啟動電流為20mA，互感器采樣的啟動電流為40mA。又如:采用專用的錳銅片進行直接電流采樣的全電子電能表誤差可調(diào)整到0.5%，而采用電流互感器采樣，由于激磁電存在，若不采取補償措施，互感器本身誤差就可能超過5%。利用互感器采樣的的優(yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。二、全電子式電能表的多費率電子式多費率電能表在市場經(jīng)濟下，根據(jù)用電的性質(zhì)不同，地區(qū)不同，時段不同等實行多種電價制已是理所當然。要推行多種電價制，除國家要制定有關法規(guī)和準則外，還必須要有相關的測量設備。所謂多費率電能表也稱復費率電能表或稱之為分時計量電能表。它是根據(jù)每天用電的峰.平.谷的實際情況，分時段地進行計量，以作為分時電價結(jié)算的依據(jù)。分時段計費的多費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，近一年來分時段多費