全电子式电能表的结构和工作原理.docx

全电子式电能表的构造和工作原理近年来，进入我国电力系统的电子式电能表逐年增多，并广泛应用在电能计量和计费工 作中。电子式电能表有较好的线性度和稳定度，具有功耗小，电压和频率的响应速度快，测 量精度高等诸多优点。在学习了智能仪器与电子测量的课程以后，在教师的带着下，我也对智能仪器产生了一丝兴趣。生活中，电能表是每家每户的必需品，也是常见的智能仪表， 下面我就介绍一下这个生活中的必需品。电子式电能表是怎样来计量电能的呢？电子式电能表是在数字功率表的根底上进展起 来的，承受乘法器实现对电功率的测量，其工作原理框图如图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M，乘法器 M 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。一、输入变换电路图 3-10 电子式电能表工作原理框图电子式电能计量仪表中必需有电压和电流输入电路。输入电路的作用，一方面是将被测 信号按肯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要测量几安培乃至几十安培的沟通电流，必需要将其转变为等效的小信号沟通电压或电流，否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般承受锰铜分流片；经互感器接入式电子式电能表内部一般承受二次侧互感器级联，以到达前级互感器二次侧不带强电的要求。1. 锰铜片分流器以锰铜片作为分流电阻RS，当大电流 it流过时会产生相应的成正比的微弱电压 Uit，其数学表达式为UititR该小信号 Uit送入乘法器，作为测量流过电能表的电流it。其原理图如 3-11 所示。锰铜分流器和一般电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。锰铜分流器 A 选用 F2 锰铜片，厚度 2mm，取样电阻 Rs 选 175，则当根本电流为 5A 时，1、2 之间的取样信号Ui0.875mV。图 3-11 锰铜分流器测量电器原理图2. 电流互感器承受一般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力量。其原理框图如图 3-12 所示。b图 3-12 电流互感器电气原理图穿线式；b接入式tiTitKI 式中it流过电能表主回路的电流；Ti t流过电流互感器二次侧的电流；K电流互感器的变比。Iu(t) = iT(t) RL= i(t) ´ R KLI式中 ut送往电能计量装置的电流等效电压；R负载电阻。L二电压输入变换电路和被测电流一样，上百伏100V 或 220V的被测电压也必需经分压器或电压互感器转变为等效的小电压信号，方可送入乘法器。电子式电能表内使用的分压器一般为电阻网络或电压互感器。1. 电阻网络承受电阻网络的最大优点是线性好、本钱低，缺点是不能实现电气隔离。有用中，一般承受多级如3 级分压，以便提高耐压和便利补偿与调试。典型接线如图 3-13 所示。2. 电压互感器图 3-13 典型电阻网络线路图承受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力量，缺点是本钱高。其电路图如图3-14 所示。UU式中 ut被测电压；utKu tUu t送给乘法器的等效电压。二、乘法器电路图 3-14 电压互感器电路图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 电流进展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。抱负的乘法器的输出特性方程式可表示为XYU0tKU tU t，式中 K是乘法器的增益。图 3-15 乘法器表示方式从乘法的代数概念动身，乘法器具有四个工作区域，由它的两个输入电压极性来确定。依据两个输入电压的不同极性，乘积输出的极性有四种组合，可以用图3-16 平面中的四个象限来具体说明。但凡能够适应两个输入电压极性的四种组合的乘法器，称为四象限乘法器。 假设一个输入端能够适应正、负两极性电压，而另一个输入端只能适应单一极性电压的乘法器， 则称为二象限乘法器。假设乘法器在两个输入端分别限定为某一种极性的电压能正常工作，它 就是单象限乘法器。图 3-16 模拟乘法器的工作象限图实现两个输入模拟量相乘的方法有多种多样。乘法器是电子式电能表的核心局部，并非每一种乘法器电路都能适用电子式电能表，下面介绍电子式电能表中常用的乘法器。一时分割乘法器1211x时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进展调宽调幅的工作过程。它在 供给的节拍信号的周期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 T 、T2 之差时间量与 ux 成正比的不等宽方波脉冲，即 TT K u；再以此脉冲宽度掌握2y与 ux 同频的被测电压信号 uy 的正负极性持续时间，进展调幅处理，使 uK u；最终将调xy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u 、u 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。图 3-17 调宽调幅波示意图也有的时分割乘法器对电流信号i 、i 进展调宽调幅处理，输出的直流电流信号I 表示xy0ii电流 、 乘积的平均值。前者称为电压平衡型时分割乘法器，后者称为电流平衡型时分割xy乘法器。uu承受三角波作为节拍信号的电压型时分割乘法器的电路原理如图3-18 所示。被测电压转换为，被测电流转换成电压 。图中电路的上半局部是调宽功能单元，下半局部是调xy幅功能单元。由运算放大器 N1 和电容C1 组成积分器，对经 R1、R2 输入的电流作求和积分；UN 和UN 是正、负基准电压，在电路的设计中，基准电压UN 的幅值应比输入电压ux 大得多；S1、S2 为两个受电平比较器掌握并同时动作的开关；电平比较器是具有两个稳态的直流触发器；运算放大器N2、电阻R4 和电容C2 组成了滤波器。积分输出电压u1 和三角波12发生器产生的节拍三角波电压 u2 都加到电平比较器上，当 u u 时，电平比较器输出低电Ny12y120平，S1、S2 分别接U 、u ；当 u u 时，电平比较器输出高电平，S1、S2 分别接 UN、u ；当 u u 时，为比较器转换状态。乘法器的输出电压U 就是由 S2 的动作所得到的幅度为士 uy 的不等宽方波电压经滤波后的直流成分。该乘法器电路假设干单元输出电压的波形如图 3-19 所示。图 3-18 三角波信号的时分割乘发器电路原理图1. 调宽功能单元1212假定输入电压ux 为正值，积分器接通ux 和UN，输出电压u1 从 a 点见图3-19 渐渐向下变化a b 段，在 a b 段内，u u ，到达b 点时，u u 。1212N12N1由于三角波电压连续向上变化，致使u u ，于是电平比较器输出高电平，S1 接通U ， 积分器输出电压u1 转而渐渐向上变化bc 段，到达 c 点时，u u ，紧接着三角波电压连续下降，u u ，电平比较器输出低电平，S1 接通U ，电压 u 再次向下变化。如此反复，积分器输出电压u1 呈锯齿波形。1N212设开关 S1 接通UN 的时间为 T，接通U的时间为 T，且 TT T。当系统达稳TT态时，积分器在 、 时间段内的总积分电荷量应为零，即12çæ ux + UNöæ u÷T + çxUö- N÷T= 0èøèøRR1RR21212Uux (T + T ) +N (T- T ) = 0R121R122T - T= - R2Tu12R Ux1N21即开关S1 接通UN、UN 的时间差T T 与输入电压ux 成正比。2. 调幅功能单元图 3-19 三角波信号的时分割乘发器波形图y开关 S2 在比较器的掌握下与 S1 同时动作，在 T1 期间接通u，输出电压 u 为u ，yy0y在 T2 期间接通u ，输出电压 u 变为u 。经滤波器输出后，得到电压U 为 u 的反向平均值U= -u- TT´12 =R2u u= Ku uµ ui0yTR Uxyxy1N即输出电压U0 与ui 成正比，因此整个电路是一个实现了 u、i 乘积运算的乘法器，它的输出相应于ui 乘积的平均值，亦即平均功率。在调宽电路中，受积分器积分电荷总量平衡条件的约束，对 ux 的最大幅值有肯定限制， 它的正边界是当T10、T2T 时UN 所能平衡的ux 值，负边界是当T1T、T20 时UN 所能平衡的ux 值，因此ux 的幅值应满足条件R U- 1NR2R Ux u 1NR2uu至于 ，其输入幅值仅受为猎取 的倒相器的动态范围所限制。yy目前在全电子式电能表制造业中，承受时分割模拟乘法器的占有相当大比例。与其他类 型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且工艺性好，原理较为先进， 具有更好的线性度，其最突出的优点是具有较高的准确度级别，可到达 0.01 级，根本上解决了如何提高准确度的问题。其主要缺点是带宽较窄，仅为数百赫兹。二数字乘法器微处理器在全电子式电能表中主要用于数据处理，而在其测量机构中的应用并不多。随 着芯片速度的提高和外部接口电路的更加成熟，微处理器的功能将得到充分发挥和扩展。可 以估量，应用数字乘法器技术来完成功率电能测量的前景格外宽阔。承受数字乘法器，由 计算机软件来完成乘法运算，可以在功率因数为 01 的全范围内保证电能表的测量准确度。这是多种模拟乘法器难以胜任的。承受数字乘法器的全电子式电能表的根本构造框图如图3-20 所示。微处理器掌握双通道AD 转换，同时对电压、电流进展采样，由微处理器完成相乘功能并累计电能。平均功率表示为P = 1T式中 T沟通电压、电流的周期。Tò u(t) ´ i(t)dt0图 3-20 数字乘法器的电能表构造框图以t 为时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压、电流同时进展采样，则P = 1TåNk =1u(k ) ´ i(k )T = NDt这就是用软件计算被测平均功率即有功功率的数学模型。从上式可以看出，平均功率的计算与功率求解过程与功率因数无关，因此，可以得出承受数字乘法器的全电子式电能表的电能测量与功率因数无关的结论，这是这类电能表的一个重要特点。AD 转换器的准确度一般较高，其转换误差可以无视。通过软件来完成采样及乘法计算的准确度与t 的选取有关。t 越小，准确度越高，但计算量将增加，且会使实时性变差。由采样理论可知，连续信号离散后得到的时间序列不丧失原信号的信息，不仅采样频率 要满足奈奎斯特定律，而且必需等分连续的信号周期，否则会产生测量误差。为此承受软件 锁相技术将采样频率自动地锁定在输入信号频率的 N 倍上，这样可以在输入频率发生变化时自动调整采样间隔，使时钟的漂移变化也不会给测量带来误差。使用微处理器技术制造全电子式电能表的前景格外看好，但本钱高是其商品化的一个 主要障碍；数字乘法器的进展还要依靠于电路的集成和芯片价格的降低，但其功能强大、性能优越，在将来先进的电能治理领域中肯定会广为应用。三、电压频率转换器1121101目前承受的电压频率转换器，大多是利用积分方式实现转换。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。运放 N 和电容C 组成积分器，上下电平比较器有两个比较电平 U 、U 。输出电压波形如图 3-22 所示。当开关 S 接通U 时，电容C 充电，输出电压U0 往负向变化ab 段；当到达比较器的下限电平U2 时，比较器掌握开关 S 接通U ，C 放电，电压 U 往正向变化；当到达比较器的上限电平U 时，S 再次接通十U ，如此反复，达稳态后，便得到了周期为T 的三角波。由于ab 段和 cd 段的积分斜率是一样的，故积分时间也相等，均为T/2。依据积分器输入、输出电压关系U - U= U1 ´ T12RC2得到输出电压U0 的频率f = 1 =1Uµ UT2RC(U1即输出频率f 与输入电压U1 成正比。- U)ii2图 3-21 双向积分式电压频率转换器的原理电路图图 3-22 双向积分式电压频率转换器的波形图这种电压频率转换器的主要特点是输出频率较低，选择高稳定性的R、C 元件，可使其准确度长期保持在±0.1的水平。四、分频计数器在机电式电能表中，由光电转换器将电能信号转换成脉冲信号；而在电子式电能表中， 电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器及电压频率转换器完成的。这两种脉冲信 号在送入计数器计数之前，需要先送入分频器进展分频，以降低脉冲频率。这样做，一方面 是为了便于取出电能计量单位的位数如百分之一度位；另一方面是考虑到计数器长期计数的容量问题。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。在电子式电能表中，分频器和计数器一般承受CMOS 集成电路器件。这是由于集成电路器件工作牢靠性、抗干扰力量、功率消耗、电路保安和机械尺寸等一系列指标均优于分立元器件组成的电路。图 3-23 为分频计数器原理框图和脉冲波形。图中电压频率转换器送来的脉冲信号fx经整形电路整形后，可输出一系列规章的矩形波，并输入到掌握门，A 点的波形如图 3-23b所示。把由石英晶体振荡器产生的标准时钟脉冲信号经分频后作为时间基准。分频后的标准时钟脉冲信号，如图 3-23bB 点的波形也送至掌握门，于是掌握门翻开，将计数脉冲输出，得到如图 3-23bC 点的波形。计数器可记录时间T 内通过掌握门的脉冲数， 每一个脉冲所代表的电量数经计算确定后，便可经译码电路由显示器显示出来。ab图 3-23 分频计数器原理框图五、显示器a框图；b脉冲波形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是利用液晶在肯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。它依据光学原理可分为透射式、反射式和半透半反射式；依据视角大小可分为 TN 型视角为 90o和 STN 型视角可达 160o两种；依据工作温度范围可分为普遍型065 oC和宽温型3085 oC。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 10µA，在有肯定采光度时显示比照强等优点。发光二极管LED是利用特别构造和材质的二极管在施加正向工作电压、具有肯定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。依据同一正向工作电流下的发光 强度可将其分为普亮、高亮和超高亮3 种。发光二极管颜色有红、绿、黄等多种，具有温度范围宽4085 o C、在弱光背景下显示醒目和低本钱等优点；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肯定电场和肯定红外线热能下产生肯定亮度的可见荧光来实现显示功能的。除本钱高缺点外，其优缺点和发光二极管根本一样。以上是全电子式电能表的构造原理及各硬件局部的具体分析，那么，全电子式电能表是怎样运用于我们的日常生活中的呢？一、全电子式电能表的采样方式当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式。一种是用互感器采样,另一种 为直接采样。承受互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号和 电流信号;直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号,而用电阻温度系数非 常小的锰铜片进展电流直接采样。承受互感器采样,在起动电流.线性范围.功耗和精度等指标 皆不如直接采样,尤其是小电流时更为突出。例如:额定电流为 20A 时,直接采样的启动电流为20mA,互感器采样的启动电流为 40 mA。又如:承受专用的锰铜片进展直接电流采样的全电子电能表误差可调整到 0.5%,而承受电流互感器采样,由于激磁电存在,假设不实行补偿措施,互感器本身误差就可能超过 5%。利用互感器采样的的优点是抗干扰性较强,线路简洁,本钱低。二、全电子式电能表的多费率电子式多费率电能表在市场经济下,依据用电的性质不同,地区不同,时段不同等实行多 种电价制已是理所固然。要推行多种电价制,除国家要制定有关法规和准则外,还必需要有相关的测量设备。所谓多费率电能表也称复费率电能表或称之为分时计量电能表。它是依据每天用电的峰.平.谷的实际状况,分时段地进展计量,以作为分时电价结算的依据。分时段计费的多费率电能表早期主要用于工业用户,随着我国家庭用电量的不断增加和我国电业市场的商 品化改革,近一年来分时段多费率电能培长达 238%,而传统电能表比去年同期下降 24%。今年国家还修订了多费率电能表的标准,即 GB/T15284-2023多费率电能表特别要求与此相适应的分时电能表的专用集成电路也相继面世,这必将为多费户电能表的进展供给了更宽阔 的前景。三、全电子式电能表的抄表方式4.电子式电能表的抄表方式全电子式电能表的抄表方式主要有以下几种:(1)人工抄表:依据表头显示进展抄表。(2)手持红外抄表器抄表:手持红外抄表器抄表它是一个带有红外收发的单片机掌握系统。为此电能表应设有相应的红外收发功能。抄表器最小可在 3 米以外通过红外收集电能表显示的数据,一块抄表器可同时存储几千户的用电数据,依据需要它可以通过并行口用微型打印机打印输出,或通过计算机的输入口,输入给计算机进展数据治理,它具有 体积孝重量轻.携带便利,操作简洁.性能价格比高等特点。有的抄表器还可带售电功能,它很适合于楼群少.用户数不多的状况下的用电治理。手持抄表器,通过 RS232 也可进展短距离在线抄表,但一般很少用。(3)远距离自动抄表系统:所谓远距离自动抄表系统是指治理人员可以坐在远距表的办公室里,应用微机通过专用线.无线.电力线.光纤等做为通道,进展抄表和用电管 理。通过查找资料完成这篇报告，我也从中学到了很多。当今,电能已成为最重要的能源, 在市场经济下,人们对电能的计量要求准确度要高,使用寿命要求长,而对用电的治理要求实现智能化、自动化。这些都是感应式电能表所无能为力的。近一二十年来,由于微电子技术, 计算机技术和通信技术的高速进展,消灭的高准确度、长寿命且能实现远程自动抄表等多种功能的全电子式电能表,取代传统的感应式电能表已势在必行。而作为学习者的我们，不仅要学好这些理论学问，更要学会创，从更高的角度来完善科技，让我们的生活得到更好的升华。