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第三章电子式电能表的结构和原理第1页，本讲稿共45页第三章第三章 电电子式子式电电能表的能表的结结构和原理构和原理第一节第一节 机电式电能表的结构和工作原理机电式电能表的结构和工作原理 第二节第二节 全电子式电能表的结构和工作原理全电子式电能表的结构和工作原理 第三节第三节 单相电子式复费率电能表单相电子式复费率电能表 第四节第四节 单相预付费电能表单相预付费电能表 第五节第五节 三相三线电子式多功能电能表三相三线电子式多功能电能表 第2页，本讲稿共45页第一节第一节 机电式电能表的结构和工作原理机电式电能表的结构和工作原理 一、单向脉冲式电能表 二、双向脉冲式电能表 第3页，本讲稿共45页 机电式电能表主要由感应式测量机构、光电转换器和分频器、计数器及显示器四大部分组成，工作原理框图如图3-1所示。感应式测量机构的主要作用是将电能信号转变为转盘的转数 光电转换器的作用是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲分频器和计数器的主要作用是对经光电转换器转换成的脉冲信号进行分频、计数，从而得到所测量的电能。显示器的作用是把电能表所测量的电能用电子器件显示出来，以方便读取数据。第一节第一节 机电式电能表的结构和工作原理机电式电能表的结构和工作原理 第4页，本讲稿共45页一、单向脉冲式电能表 单向脉冲式电能表的光电转换器主要包括光电头光电头和光电转换电路光电转换电路两部分。1光电头 光电头由发光器件和光敏器件组成。两种典型光电头的安装结构如图3-3所示。图3-3（）为穿透式光电头，图3-3（b）是反射式光电头。第5页，本讲稿共45页2光电转换电路 一种最基本的光电转换电路如图3-4所示。当光敏管接收到较强的光照时，处于导通状态，光电流增加，V1导通，作用到V2和V3组成的射极耦合放大器上，使输出电压呈高电平；反之，当光敏管接收到的光照较弱时，处于截止状态，相应的输出电压呈低电平。一、单向脉冲式电能表 第6页，本讲稿共45页二、双向脉冲式电能表 双向脉冲式电能表具有双向计度的功能，既能测量正向消耗电能，又能测量反向消耗电能。双向脉冲式电能表光电转换及双向脉冲输出控制电路如图3-8所示。第7页，本讲稿共45页第二节第二节 全电子式电能表的结构和工作原理全电子式电能表的结构和工作原理 一、输入变换电路 二、乘法器电路 三、电压频率转换器 四、分频计数器 五、显示器 第8页，本讲稿共45页电子式电能表工作原理框图如图3-10所示 被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U，然后再利用电压频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。第9页，本讲稿共45页一、输入变换电路一、输入变换电路 输入电路的作用，一方面是将被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中；另一方面是使乘法器和电网隔离，减小干扰。（一）电流输入变换电路 1锰铜片分流器 以锰铜片作为分流电阻RS，当大电流i（t）流过时会产生相应的成正比的微弱电压 Ui（t），其数学表达式为Ui（t）i（t）R 第10页，本讲稿共45页2电流互感器 采用普通互感器（电磁式）的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电，并可提高电子式电能表的抗干扰能力。其原理框图如图3-12所示。其数学表达式为 一、输入变换电路一、输入变换电路 第11页，本讲稿共45页（二）电压输入变换电路 1电阻网络 采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。实用中，一般采用多级（如3级）分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。典型接线如图3-13所示。一、输入变换电路一、输入变换电路 第12页，本讲稿共45页2电压互感器 采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能表的抗干扰能力，缺点是成本高。其电路图如图3-14所示。其数学表达式为 u（t）KU uU（t）一、输入变换电路一、输入变换电路 第13页，本讲稿共45页二、乘法器电路 模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号（如输入电能表内连续变化的电压和电流）进行相乘作用的电子电路，通常具有两个输入端和一个输出端，是一个三端网络，如图3-15所示。理想的乘法器的输出特性方程式可表示为 第14页，本讲稿共45页（一）时分割乘法器 它在提供的节拍信号的周期T里，对被测电压信号ux作脉冲调宽式处理，调制出一正负宽度T1、T2之差（时间量）与ux成正比的不等宽方波脉冲，即T2T1K1ux；再以此脉冲宽度控制与ux同频的被测电压信号uy的正负极性持续时间，进行调幅处理，使uK2uy；最后将调宽调幅波经滤波器输出，输出电压U0为每个周期T内电压u的平均值，它反映了ux、uy两同频电压乘积的平均值，实现了两信号的相乘，输出的调宽调幅方波如图3-17所示。二、乘法器电路 第15页，本讲稿共45页（二）数字乘法器 采用数字乘法器的全电子式电能表的基本结构框图如图3-20所示。微处理器控制双通道AD转换，同时对电压、电流进行采样，由微处理器完成相乘功能并累计电能。平均功率表示为以t为时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压、电流同时进行采样，则 二、乘法器电路 第16页，本讲稿共45页三、电压频率转换器 电子式电能表常用的双向积分式电压频率转换器的原理电路如图3-21所示。输出电压U0的频率 第17页，本讲稿共45页四、分频计数器 所谓分频，就是使输出信号的频率分为输入信号频率的整数分之一；所谓计数，就是对输入的频率信号累计脉冲个数。图3-23为分频计数器原理框图和脉冲波形。第18页，本讲稿共45页五、显示器 目前常见的电子式电能表显示器件有三种：液晶（LCD）、发光二极管（LED）、荧光管（FIP）。液晶显示器（LCD）是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实现显示功能的。液晶显示器在静态直流电场下寿命很短（一般为几千小时），而在动态交变电场下寿命很长（可达20万h）；除具有长寿命的优点之外，还具有功耗小（小于10A），在有一定采光度时显示对比强等优点。发光二极管（LED）是利用特殊结构和材质的二极管在施加正向工作电压、具有一定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。具有温度范围宽（4085）、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点；缺点是寿命短（一般为3万5万h）、耗电大（一般510mA）、露天下显示不清等。荧光显示板（FIP）是利用特种荧光物质在一定电场和一定红外线热能下产生一定亮度的可见荧光来实现显示功能的。除成本高缺点外，其优缺点和发光二极管基本相同。第19页，本讲稿共45页第三节 单相电子式复费率电能表 一、常用术语 二、工作原理 三、主要功能特点 四、规格 五、基本误差 六、主要技术指标 七、显示功能 八、遥控器功能 九、遥控器编程 十、读表 第20页，本讲稿共45页一、常用术语 1复费率电能表 有多个计度器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表 2费率计度器 由贮存器（用作贮存信息）和显示器（用作显示信息）二者构成的电机械装置或电子装置，能记录不同费率的有功或无功电能量。3电能测量单元 由被测量输入回路、测量等部分构成，进行有功或无功电能计量的单元 4费率时段控制单元 由费率计度器（含驱动电路）、时间开关及逻辑电路等构成，进行费率时段电能测量和显示的单元 5峰、平、谷电量 电力系统日负荷曲线高峰时段的电能量称峰电量，低谷时段的电能量称谷电量，计量峰、谷时段以外的电能量称平电量，三者之和为总电量 第21页，本讲稿共45页单相电子式复费率电能表的工作原理框图如图3-24所示。二、工作原理第22页，本讲稿共45页工作原理工作原理:二、工作原理电流、电压采样电路是将流过线路的大电流和外部电流、电压采样电路是将流过线路的大电流和外部220V交交流电压变换为合适的小电流、小电压信号，经电能专用集流电压变换为合适的小电流、小电压信号，经电能专用集成电路转换成随功率变化的脉冲信号。单片微处理器接收成电路转换成随功率变化的脉冲信号。单片微处理器接收到功率脉冲信号后进行电能累计，数据存入存储器中，同到功率脉冲信号后进行电能累计，数据存入存储器中，同时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，将数时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，将数据输出到显示器中显示，并且随时接收串行通信口的通信据输出到显示器中显示，并且随时接收串行通信口的通信信号进行数据处理。信号进行数据处理。第23页，本讲稿共45页三、主要功能特点（1）4种费率、10个时段（2）最大需量计算采用滑差式（3）当前一分钟平均功率的显示（4）5V80ms有源或无源光电隔离电能脉冲输出（5）停电时间累计（6）具有红外遥控编程、RS485通信接口（7）可用12V外接电源掌上电脑红外抄表（8）可设固定显示和循环显示方式（9）可记录3个月（本月、上月、上上月）的有功总电能、各费率电能、最大需量及需量发生的时间等信息（10）遥控器可全面显示所有功能项，并可方便编程 第24页，本讲稿共45页四、规格 第25页，本讲稿共45页五、基本误差 第26页，本讲稿共45页六、主要技术指标（1）时钟准确度：日误差 土0.5S天（2）停电后数据保持时间：10年（3）电能计度器容量：99999.9 kWh（4）需量计度器容量：99.9999kW（5）绝缘耐压：2000 VAC（6）功耗（LCD显示）：2VA（7）启动电流：0.4Ib（8）电池功耗（停电不显示时）：0.4A（9）工作温度：2050（10）存储和运输温度：2550（11）湿度：75。第27页，本讲稿共45页七、显示功能（1）数码管显示。左边2位指示功能序号，右边6位指示内容（2）峰平谷指示灯。峰、平、谷指示灯中的一个亮依次代表右边6位显示为峰电量、平电量、谷电量；峰、平两灯齐亮表示尖峰电量；三灯全亮表示总电量。（3）欠压指示灯。内部电池欠压时此灯常亮显示（4）电能脉冲指示灯。用于指示用户用电负载情况 第28页，本讲稿共45页八、遥控器功能（1）记忆键：编程时，将调整正确的数据记忆，同时功能号递增一位；读表时，显示“00”项功能序号。（2）右移键。编程时循环移动要调整的数据位；在正常工作状态下，该键为循环显示和固定显示转换开关。（3）上移及下移键。编程时，用以增、减闪烁位的数值；正常工作时，用以增、减显示项功能序号。（4）编程键：在需要对电能表进行编程时按此键2秒钟便可进入编程状态。（5）清零键：在电能表最大需量需要清零时按此键可将最大需量值清零。（6）复位键：编程状态时按此键退出编程，正常工作时按此键显示功能序号00项。（7）数字键。数字键09在编程状态时用于修改数码管闪烁位的数值，正常工作时用于查看功能序号项数据。（8）自检键。用于检查数码管各段显示是否正常。第29页，本讲稿共45页九、遥控器编程（1）进入编程状态。按“编程”键，此时显示“990”，依次在数码管闪烁位输入6位密码，密码正确后进入编程状态（2）选定编程项。进入编程状态后，左边两位数码管显示编程项目号，用遥控器上的数字键“09”或者按“上移”或“下移”键，改变到要编程的项目号（3）输入数据。按“右移”键选择数据位，其闪烁位可用数字键“09”或“上移”“下移”键输入数字 (4）记忆数据：确认输入数据正确后，按记忆键保存该项数据。（5）编程结束：按“复位”键结束编程。第30页，本讲稿共45页 十、读表 1直接读表 表内显示可以设定为固定项目显示或循环显示。固定显示时，用户只要按遥控器上的“数字键”、“上移”或“下移”键显示相应功能顺序号项内容，按复位或记忆键显示回到“00 X X X X X X”项2最大需量清零 最大需量清零是将当前电能表内电量、最大需量冻结保存。按清零键后电能表自动将上月电量、需量等数据存入上上月保存，将当前电量、需量等数据存入上月保存，当前需量清零，以后依次类推 第31页，本讲稿共45页第四节 单相预付费电能表一、基本原理 二、IC卡技术 三、主要性能指标及功能 第32页，本讲稿共45页一、基本原理 单相预付费电能表原理框图如图3-25所示。第33页，本讲稿共45页二、IC卡技术 IC卡是集成电路卡（Intergrated Circuit Gard）的简称。它将集成电路镶在塑料卡片上。它与磁卡比较有接口电路简单、保密性好、不易损坏、存储容量大、寿命长等特点。IC卡中的芯片分为不挥发的存储器（也称存储卡）、保护逻辑电路（也称加密卡）和微处理单元（也称CPU卡）三种 在电能表上使用的卡，这三种都有，接口往往采用串行方式的接触式卡。第34页，本讲稿共45页三、主要性能指标及功能 1主要参数（1）准确等级：1.0级；（2）电流规格：5（20），10（40）A；（3）电压回路功耗：2W；（4）工作电压范围：（70%130%）Ue；（5）脉冲常数：5（20）A，3200imp/（kWh）；10（40）A，1600imp/（kWh）；（6）起动电流：0.4%Ib；（7）卡类型：加密卡；（8）设计寿命：15年 第35页，本讲稿共45页2主要功能（1）计量功能。计量有功电量，有功正向有功十反向有功。（2）功率脉冲输出。脉冲宽度805ms，空触点输出，同时有脉冲LED指示。（3）负荷控制。具有超功率自动断电的负荷控制功能，可以设置功率限额以及允许次数，当平均功率大于限额后，电能表跳闸并显示当时的功率。使用用户购电卡插入电能表可以恢复供电。但当超功率跳闸次数超过设定的允许次数时，电能表将不可恢复供电，只有使用了参数设置卡改变了功率限额后，才能恢复供电。（4）防窃电功能。具有自动检测短接电流回路的防窃电功能，当短接进出线时，电能表显示“O”并且记录窃电次数。（5）显示。LCD显示可以设置自动及手动（按钮切换）方式，（6）报警显示。当电能表自检出现故障时，显示故障（7）预付费功能。使用购电卡可将购电量送入电能表，电能表按设定的费率递减，当剩余电费小于设定的报警门限时，电能表跳闸，提醒用户去购电；此时插入购电卡可以恢复供电。当剩余电费小于零后，电能表将跳闸，直到购电后才能恢复供电。三、主要性能指标及功能 第36页，本讲稿共45页第五节 三相三线电子式多功能电能表 一、常用术语 二、工作原理 三、主要性能 四、规格和主要技术参数 五、主要功能 六、显示功能 第37页，本讲稿共45页一、常用术语 1测量单元产生与被计量的电能量成正比例输出的电能表部件。2数据处理单元 对输入信息进行数据处理的电能表部件。3多功能电能表由测量单元和数据处理单元等组成，除计量有功（无功）电能外，还具有分时、测量需量等两种以上功能，并能显示、储存和输出数据的电能表。4显示器显示存储器内容的装置。5需量周期测量平均功率的连续相等的时间间隔。6最大需量在指定的时间区间内，需量周期中测得的平均功率最大值。7滑差（窗）时间依次递推来测量最大需量的小于需量周期的时间间隔。8额定最大脉冲频率多功能电能表在额定电压、额定频率、额定最大电流及cos=1.0条件下，单位时间发出的脉冲数。9常数表示多功能电能表计量到的电能量与其相应的输出值之间关系的数。第38页，本讲稿共45页二、工作原理 工作原理框图如图3-26所示。第39页，本讲稿共45页工作原理工作原理:二、工作原理 A A、B B、C C三相电压、电流信号经电能表采样电路和三相电压、电流信号经电能表采样电路和功率计量处理器变换成相应的数字信息后，传送给功率计量处理器变换成相应的数字信息后，传送给数据处理中心，并通过程序处理求出各相电压、电数据处理中心，并通过程序处理求出各相电压、电流、功率、电量、需量、功率因数等各项参数；同流、功率、电量、需量、功率因数等各项参数；同时识别各相电压、电流有无异常并记录相应的失压、时识别各相电压、电流有无异常并记录相应的失压、失流状态。失流状态。第40页，本讲稿共45页三、主要性能（1）保证整机长期稳定工作；精度基本不受频率、温度、电压变化影响；整机体积小，重量轻，密封性能好，可靠性较其他同类产品有明显提高（2）当电网停电后，锂电池作为后备电源，提供停电后表内电量的显示读取，并保证内部数据不丢失，日历、时钟、时段程序控制功能正常运行，来电后自动投入运行。（3）电能表运行信息可由手持电脑、RS485接口、国际标准IC卡三种媒介传输（4）为方便用户现场更换电能表，使用表中特有的复印功能，可以方便地将被更换表的所有信息复印至更换后的电能表上，（5）电能表适用于环境温度为2560，相对湿度不超过85的地区 第41页，本讲稿共45页四、规格和主要技术参数 1规格 第42页，本讲稿共45页2主要技术参数（1）时钟误差：0.5s天。（2）功 耗：电压线路6VA，电流线路1VA。（3）电源工作电压范围：（2030）Ue。（4）后备电源采用双锂电池：3.6V、1.2Ah。（5）电池工作寿命：10年。（6）准确度等级：有功0.5S1.0级，无功2.0级。（7）启动电流：0.1Ib（0.5S级），0.2Ib（1.0级）。（8）潜 动：具有逻辑防潜动电路。（9）费率时段：费率时间可分区、分段，时段设置后节假日可自动识别切换。四、规格和主要技术参数第43页，本讲稿共45页五、主要功能（一）计量功能（二）失压、失流报警、显示、记录功能（三）电压越限报警、显示、记录功能（四）超负载报警功能（五）电网参数记录功能（六）事件记录功能（七）远方编程、抄表功能（八）停电抄表功能（九）复印功能（十）远方控制功能（仅适用于GPRS通信模块电能表）第44页，本讲稿共45页六、显示功能 全屏显示画面见图3-27所示 第45页，本讲稿共45页