電能表常用知識(shí)分析

《電能表基礎(chǔ)知識(shí)》

工程部：王萬(wàn)年

2007年4月27日

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從20世紀(jì)90年代初，電子式電能表從出現(xiàn)到目前海內(nèi)外大面積的使用說明電子式電能表已逐步被用戶接受，無論從質(zhì)量上還是技術(shù)上已走向成熟。電子式電能表的種類繁多，包括普通電子式電能表，帶各種通信接口、預(yù)付費(fèi)、多費(fèi)率和多功能的單、三相電能表。普通電子式電能表是指僅僅具有計(jì)量功能的電能表，顯示方式主要有機(jī)械計(jì)度器、數(shù)碼管和液晶三種方式。從發(fā)展趨勢(shì)看，由于機(jī)械計(jì)度器在抗強(qiáng)磁方面存在缺陷，因此在防竊電方面，數(shù)碼管和液晶兩種顯示方式將會(huì)有更大的市場(chǎng)空間，但成本較高，目前國(guó)內(nèi)部分省市已開始推廣使用，國(guó)外也有較大需求。防竊電式電能表主要是指電流反接、負(fù)載接地等情況下能正常計(jì)量。由于電力供應(yīng)緊張，為了合理使用電力資源，推廣使用實(shí)行尖峰平谷電價(jià)的分時(shí)表，各種多費(fèi)率電能表，特別是工業(yè)用的三相電能表會(huì)逐步地被多費(fèi)率、多功能的電子式電能表取代。例如現(xiàn)在我們公司生產(chǎn)的帶有載波、485、紅外、射頻通訊功能的表，都是為了解決抄表難的問題，自動(dòng)抄表系統(tǒng)也在被越來越多地采用。

電能表的發(fā)展2模塊化的電能表1.電能表是一計(jì)量工具所以不管怎么發(fā)展怎么改變他必須要以計(jì)量功能為主，而隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)電子用品的完善，不斷的在原來的基礎(chǔ)上外加了一些功能，也就是說我們?cè)谟?jì)量的基礎(chǔ)上外加一些功能能更方便更快捷的抄表以及操作電能表。2.我們的電表外加功能一般是以客戶要求而外加的。例如：某客戶需要一款帶有時(shí)鐘﹑停電抄表及載波通訊的表，那么我們會(huì)將這些模塊和計(jì)量模塊合理設(shè)計(jì)排板制作以達(dá)到客戶的要求。時(shí)鐘模塊485通訊模塊射頻通訊模塊計(jì)量模塊紅外通訊模塊預(yù)付費(fèi)模塊……載波通訊模塊停電抄表模塊3

下面我們討論電能表用運(yùn)的一些電路及功能和常用元件的工作原理和特性

4單相正弦交流電iImπ2πTπ2ψωt

電流表達(dá)式I=Imsin(ωt+ψ)T:正弦量變化一次所需的時(shí)間（秒）稱為周期。u?：每秒內(nèi)變化的次數(shù)稱為頻率。它們的關(guān)系是?=1/T

正弦量變化的快慢除用周期和頻率表示外，還可以用角頻率ω來表示。因?yàn)橐恢芷趦?nèi)經(jīng)歷2π弧度所以角頻率為

ω=2π/T=2π?5三相正弦交流電2ππωtuaubuc0120.120.120.uaubuc6預(yù)付費(fèi)電能表工作原理液晶顯示器MCUM68HC05L5IC卡接口非易失儲(chǔ)存器電能計(jì)量芯片BL0932分壓分流器斷電機(jī)構(gòu)蜂鳴器竊電信號(hào)校驗(yàn)脈沖220V進(jìn)線負(fù)載出線uipFPPA0，1PB6PC3PD5，6SPIPC5/EV0超負(fù)荷控制7MCU工作原理KW.hVLCD1VLCD2VLCD3PB0PC3/TCAPPB6PC6/IRQ2RESETVddVssOSCXOSCFPPD03/BP1-4PC5/EV0PA1PA0PC4/EV1PA2PA3PA7PCO/SCLPCO/SDOPCO/SDIPD5PD6VccDCLKINGND卡座Vcc設(shè)置信號(hào)換卡信號(hào)CLKDIDOVccNCORGGNDCS43215678控制繼電器復(fù)位信號(hào)+5V4MHZ+5V竊電信號(hào)掉點(diǎn)檢測(cè)電能計(jì)量脈沖+5V8計(jì)量單元工作原理ui幾百伏幾百安輸入級(jí)乘法器P/f變換記數(shù)顯示控制fP幾mV幾mA?H

?L

電能計(jì)量單元

數(shù)字乘法器

A/DA/DP（D）數(shù)字乘法器記數(shù)、比較控制器

P（D）?H

?0P/f變換9

這是一個(gè)將220V交流電壓，變?yōu)?V純直流電壓的電路。從圖中可以看到，220V交流電壓通過壓敏電阻VR1和聚脂電容C1穩(wěn)壓和濾波輸入變壓器TR1的初級(jí)線圈，同時(shí)壓敏電阻VR1也有保險(xiǎn)的作用。變壓器將電壓通過降壓后再用整流二極管D1對(duì)其進(jìn)行整流。所以經(jīng)過二極管D1的是整流電壓，然后將一個(gè)大大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)起來，這完全利用了電容的特性（由于大電容在高頻時(shí)會(huì)處于開路狀態(tài)而小電容的容抗遠(yuǎn)大于大電容所以處于工作狀態(tài)）濾除各種高頻干擾信號(hào)，從而得到了純直流電壓輸入三端穩(wěn)壓器U1的集電極經(jīng)過穩(wěn)壓后得到一個(gè)純直流電壓+5V，那么圖中的其他兩個(gè)二極管D2，D3主要是保護(hù)作用，D2是當(dāng)電容處于開路狀態(tài)時(shí)使其形成回路。D3當(dāng)輸入端短路時(shí)，給C12一個(gè)放電的通路，防止C12兩端電壓激穿調(diào)整管的發(fā)射結(jié)。

電表常用電路AGND

Zero1243+5vGND

Vin

+5vNJM78L05A132++VR1VR2C1D1D2C11C12C2C3D3U1TR110互感現(xiàn)象

這一原理在電能表中常用到的我們先做個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)：有線圈L1和L2，其中在線圈L1回路中接入電池E和開關(guān)S在線圈L2中接入一個(gè)檢流表。當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)檢流表指針有變化，說明線圈L2中有電流。分析：線圈L1有了電流產(chǎn)生了變化的磁通，這一變化的磁通穿過了線圈L2。由于線圈L2中存在變化的磁通，所以線圈L2兩端要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，便有電流。這就叫互感現(xiàn)象。總結(jié)：1.線圈L1和線圈L2之間存在磁耦合又稱互感現(xiàn)象。2.為了定量表征互感偶合情況，出現(xiàn)了互感系數(shù)M，其是互感線圈的固有參數(shù)，它的大小與兩個(gè)線圈的匝數(shù)，相互間的位置，幾何尺寸等因素有關(guān)。ESL1L211

變壓器的工作原理1.前面我們說到的互感現(xiàn)象，在這里也基本相似的。當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流電壓后，它的線圈產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)，而這一交變磁場(chǎng)磁力線是經(jīng)過次級(jí)線圈形成回路的，當(dāng)次級(jí)線圈回路閉合時(shí)它的線圈會(huì)切割初級(jí)產(chǎn)生的磁力線，這樣就產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，在次級(jí)線圈兩端就有了交流電壓。2.從圖中的電路符號(hào)可以看出變壓器的線圈結(jié)構(gòu)情況，它也是利用線圈互感特性構(gòu)成的。3.所示電路符號(hào)中共有三組線圈，即1~2為一次線圈（初級(jí)）3~4和5~6各組成兩個(gè)二次線圈（次級(jí)）.

初級(jí)次級(jí)1次級(jí)2654321鐵芯屏蔽層12（3）隔離特性我們?cè)趫D中可以看到輸入變壓器初級(jí)的是220V交流電壓也就是市電，它的零線是接地（地球）的也就是說零線與大地之間有220V交流電壓，這樣我們只要接觸到一根火線人體就會(huì)有220V電壓流過，會(huì)有生命危險(xiǎn)?，F(xiàn)在我們做一個(gè)初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)比為1：1的變壓器當(dāng)初級(jí)輸入220V電壓時(shí)次級(jí)輸出電壓也為220V，但是不同的是，次級(jí)不像初級(jí)是火線以大地為參考端，而是次級(jí)兩端（3~4）的電壓，初級(jí)線圈跟次級(jí)線圈之間高度絕緣。次級(jí)每一端跟地的電壓為0V。

初級(jí)4321次級(jí)1：1T220V火地0V0V注：當(dāng)人身同時(shí)接觸到次級(jí)兩端便有220V加到人身上。有生命危險(xiǎn)13（2）電壓與電流之間的關(guān)系

下面我們分析變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈電壓和電流的關(guān)系。（為了方便我們?cè)O(shè)變壓器本身沒有能量損耗）設(shè)初級(jí)線圈輸出的功率為P1，次級(jí)線圈輸出的功率為P2所以我們得出下式P1=P2由P1=V1.I1；P2=V2.I2。V1.I1=V2.I2（P1=P2）；V1I2—=—V2I1從上式可以看出：降壓變壓器（V1＞V2）輸出的電壓低但是輸出的電流大。升壓變壓器（V1＜

V2）輸出的電壓高但是輸出的電流小

各線圈電壓和電流之間的關(guān)系仍然可以用上面的公式計(jì)算出來。14(4).同名端的特性1.關(guān)于變壓器的同名端從圖中可以看到1和3端各標(biāo)了一個(gè)黑點(diǎn)，這就是同名端的標(biāo)記，也就是1和3兩斷是同名端。同名端就是表示他們的電壓相位是相同的關(guān)系，也就是說他們的電壓同時(shí)增大或同時(shí)減小。而次級(jí)線圈下端（4點(diǎn)端）電壓相位與上端正好相反。2.同名端跟初級(jí)和次級(jí)繞線的方向是有關(guān)系的，當(dāng)初級(jí)和次級(jí)線圈以同一個(gè)方向繞在鐵芯時(shí)，兩個(gè)線圈的頭是同名端，線圈的尾也是同名端。而同一個(gè)線圈的頭和尾上的電壓相位是相反的關(guān)系。42T..V0tV0tV0t1315從各個(gè)電能表讀出的數(shù)據(jù)先集中起來，然后再傳送到電能表管理中心，然后統(tǒng)一管理，我們常用的傳送方式有；1.利用電力線實(shí)施載波通訊傳誦數(shù)據(jù)。2.利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3.利用無線方式傳送數(shù)據(jù)。4.利用光纖方式傳送數(shù)據(jù)。我們?cè)谙旅娴膱D中可以看到它是一個(gè)完整的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器將其相連電表的數(shù)據(jù)讀出，而臺(tái)區(qū)集中器又與其同一變壓器供電范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)采集器通訊收集并儲(chǔ)存臺(tái)內(nèi)所有電表的數(shù)據(jù)，其通訊方式可以是RS485方式或電力線載波方式。然后可以通過調(diào)制解讀器（MODEM），用無線方式，也可以用車載電臺(tái)，依次喚醒各臺(tái)區(qū)的集中器傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)然也可以直接用掌上機(jī)對(duì)采集器、集中器通訊收集數(shù)據(jù)傳送到電能管理中心。下面我們會(huì)詳細(xì)的說明其中傳送方式的原理。電能表的自動(dòng)抄表技術(shù)16自動(dòng)抄表系統(tǒng)電子表感應(yīng)表感應(yīng)表數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器臺(tái)區(qū)采集器MODEMMODEM用電檢測(cè)中心掌上機(jī)RS485/232電力載波車載電臺(tái)電子表17這種技術(shù)使用很廣泛，在電表傳送數(shù)據(jù)的發(fā)射端，先將數(shù)據(jù)編碼，然后將其調(diào)制到40KHZ的載波上，然后由紅外發(fā)射管將電信號(hào)以光的形式發(fā)送出去。在接收端先用光敏管把光信號(hào)接收下來，還原為電信號(hào)，然后用解調(diào)器解出數(shù)據(jù)編碼，最后由譯碼器譯出信息內(nèi)容。

紅外傳送+5V+5V+PD6/SC10EVOSCI/EVI紅外發(fā)紅外收18調(diào)幅信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)的概念概念：調(diào)制就是一個(gè)頻率較底的信號(hào)（如音頻信號(hào)）去控制（改變）另一個(gè)頻率高的多的信號(hào)的幅度，頻率或相位，這種一個(gè)信號(hào)的變化規(guī)律去改變另一個(gè)信號(hào)的變化規(guī)律的過程叫做調(diào)制。調(diào)頻高的多的那個(gè)信號(hào)稱之為載波。方式：1.調(diào)幅2.調(diào)頻3.調(diào)相目的：為了傳送那個(gè)頻率底的信號(hào)（便于無線電信號(hào)的發(fā)射）另一個(gè)目的是為了將兩個(gè)信號(hào)變?yōu)閮蓚€(gè)頻率較高的復(fù)合信號(hào)。我們的電能表就是用運(yùn)了這一原理來操作電表和抄表如：載波表，射頻表等。19調(diào)制信號(hào)

1.這是一個(gè)音頻信號(hào)也就是所要傳送的信號(hào)。2.因?yàn)樗l率底，幅度小所以不便于遠(yuǎn)距離發(fā)射。V020載波1.這是一個(gè)載波信號(hào)，由于它是一個(gè)高頻率等幅正弦波信號(hào)，所以傳送的距離很遠(yuǎn)。2.載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于音頻信號(hào)的頻率。載波21普通調(diào)幅

1.我們將這兩個(gè)信號(hào)通過調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)制（調(diào)幅），得到在空中傳播的高頻調(diào)幅信號(hào)，也叫高頻信號(hào)，又叫射頻信號(hào)。2.經(jīng)過調(diào)幅的信號(hào)其載波的頻率沒有改變，但是它的幅度改變了，高頻信號(hào)的幅度變化規(guī)律就是所要傳送的音頻信號(hào)。V0載波22調(diào)頻信號(hào)

我們將兩個(gè)（音頻信號(hào)和載波信號(hào)）特性相同的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可以看出載波信號(hào)的頻率發(fā)生了變化，其頻率改變的規(guī)律與音頻信號(hào)的幅度變化規(guī)律有關(guān)，即調(diào)頻信號(hào)頻率的變化規(guī)律就是所要傳送的的音頻信號(hào)變化規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾性強(qiáng)。音頻信號(hào)abd高頻信號(hào)23平衡調(diào)幅