电子式电能表及特种电能表.ppt
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1、第三章第三章 电子式电能表及特种电能表电子式电能表及特种电能表 概述:概述:电子式电能表开始出现于电子式电能表开始出现于20世纪世纪60代,由于受到当时代,由于受到当时技术水平的限制,电子式电能表的价格很高,仅供标准表技术水平的限制,电子式电能表的价格很高,仅供标准表用。用。随着微电子技术和计算机技术的发展,随着微电子技术和计算机技术的发展,80 年代出现了年代出现了应用微处理机的电能表,不仅用于标准表,且广泛应用于应用微处理机的电能表,不仅用于标准表,且广泛应用于安装式电能表。安装式电能表。电子电能表因电子电能表因准确度高、体积小、重量轻、功能多,准确度高、体积小、重量轻、功能多,且性价比高
2、且性价比高,前景十分广阔。,前景十分广阔。主要内容主要内容 第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理 第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表 第三节第三节 预付费电能表和分时计量电能表预付费电能表和分时计量电能表 第四节第四节 多功能电子式电能表多功能电子式电能表 第五节第五节 电子式电能表的误差特性及调整电子式电能表的误差特性及调整第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理一、电子式电能表的工作原理一、电子式电能表的工作原理 电能的基本表达式电能的基本表达式 电子式电能表中实现积分的方法是将功率转换为脉冲电子式电能表中实现
3、积分的方法是将功率转换为脉冲频率输出,该脉冲称为电能计量标准脉冲频率输出,该脉冲称为电能计量标准脉冲 fH(或或fL),其频其频率正比于负荷功率率正比于负荷功率第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成图图3-1 电子式电能表的基本组成电子式电能表的基本组成输入级输入级直流电源直流电源P/f 变换器变换器计数显示控制电路计数显示控制电路乘法器乘法器二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成1.输入级输入级 输入级的作用是将被测的高电压和大电流转换成电子电路能处理的低电压和小电流输入到乘法器中,并使乘法器和电网隔离,减小干扰。(1
4、)精密电阻输入变换电路 (2)电压互感器、电流互感器输入电路第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成2.乘法器乘法器 乘法器是实现被测电压、电流相乘,输出为功率的器件,它是电能表的关键电路。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理乘法器模拟乘法器数字乘法器时分割乘法器霍尔乘法器硬件乘法器(由移位寄存器和加法器组成)软件乘法器(利用乘法指令实现)二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理2.乘法器乘法器(1)模拟乘法器)模拟乘法器 1)时分割乘法
5、器 负载在一个周期内消耗的电能近似等于m个电压、电流相乘再求和。m 取值越大,上述近似计算产生的误差越小。由此,时分割乘法器的基本思想有两个,即分割和相乘。工作原理工作原理时分割乘法器电流型:被测电压、电流以及功率都以电流形式表示电压型:由于尖峰电压干扰,现在基本不用二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理2.乘法器乘法器(1)模拟乘法器)模拟乘法器 1)时分割乘法器(a)原理电路(b)电路工作波形 输入电流I u 为反映被测电压U的电流信号,C1为积分电容,S为施密特电路,它有两个转换电平UH 和UL,I0为正、负恒流源,开关
6、SA受施密特输出电压控制。时分割乘法器原理先进,制造技术比较成熟,线性度较好,准确度最高可做到级二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理2.乘法器乘法器(1)霍尔乘法器)霍尔乘法器由被测电压由被测电压u产生磁场,被测电流产生磁场,被测电流i通过霍尔元件,通过霍尔元件,则霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。则霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。霍尔乘法器是一个四象限乘法器,其相乘精度甚佳,可达霍尔乘法器是一个四象限乘法器,其相乘精度甚佳,可达0.3%左右。左右。工作频率在工作频率在10kHz以内。以内。优点:频率响应宽
7、,准确度能长期保证;抗干扰能力强;优点:频率响应宽,准确度能长期保证;抗干扰能力强;可以不需要电流互感器,不存在互感器引入的误差。可以不需要电流互感器,不存在互感器引入的误差。缺点:工艺复杂,准确度也不容易达到很高。缺点:工艺复杂,准确度也不容易达到很高。图3-3 霍尔效应示意图KH 为霍尔元件的灵敏度为霍尔元件的灵敏度UH为霍尔电动势为霍尔电动势U H=K H I B二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理2.乘法器乘法器(2)数字乘法器)数字乘法器 数字乘法器是将数字量相乘,首先将被测电数字乘法器是将数字量相乘,首先将被测电
8、压、电流的模拟量变为数字量,然后相乘。压、电流的模拟量变为数字量,然后相乘。图3-4 数字乘法器采用硬件乘法电路采用硬件乘法电路:由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成 运算速度高,但需提供硬件电路运算速度高,但需提供硬件电路采用软件乘法器:利用计算机的乘法指令实现数字量相乘,这实际是采用软件乘法器:利用计算机的乘法指令实现数字量相乘,这实际是 利用一系列的累加和移位完成运算的。利用一系列的累加和移位完成运算的。运算速度较慢,但可节约硬件运算速度较慢,但可节约硬件3.P/f 变换器变换器 P/f 变换器是把乘法器输出的代表有功功率的信变换器是把乘法器输出的
9、代表有功功率的信号变为标准脉冲,并且用脉冲频率的高低来代表功号变为标准脉冲,并且用脉冲频率的高低来代表功率大小的电路。它和计数器一起实现电能测量中的率大小的电路。它和计数器一起实现电能测量中的积分运算。积分运算。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成4.计数、显示、控制电路计数、显示、控制电路计数器对计数器对P/f 变换器的输出脉冲计数,累计电能,变换器的输出脉冲计数,累计电能,从而完成积分运算;从而完成积分运算;显示器显示电能表所测量的电能,有字轮计度器、显示器显示电能表所测量的电
10、能,有字轮计度器、液晶显示器和发光二极管显示器几种类型;液晶显示器和发光二极管显示器几种类型;控制电路用于实现电子式电能表的各种功能。控制电路用于实现电子式电能表的各种功能。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成5.直流电源直流电源作用:作用:为各部分电子电路的工作提供合适的直流电为各部分电子电路的工作提供合适的直流电压。压。结构:结构:由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路等几部分组成。路等几部分组成。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理三、电能计量模块三、电
11、能计量模块专用电能计量模块不仅集成了乘法器、专用电能计量模块不仅集成了乘法器、P/f 变换变换电路,还包含相位调整电路、电源监测电路、接电路,还包含相位调整电路、电源监测电路、接口电路等其它电路。口电路等其它电路。采用这些模块只需配以少量的外围电路就能制造采用这些模块只需配以少量的外围电路就能制造出满足各种需要的电子式电能表。出满足各种需要的电子式电能表。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理三、电能计量模块三、电能计量模块 电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为:电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为:数字式计量芯片。采用数字式计量芯片。采用DSP 技术、以数
12、字乘法器为核心。技术、以数字乘法器为核心。它运用高准确度的、快速它运用高准确度的、快速A/D转换器转换器,可编程增益控制等最可编程增益控制等最新技术。新技术。模拟计量芯片。以模拟乘法器为核心。模拟计量芯片。以模拟乘法器为核心。这两种芯片的基本工作原理有根本的不同:数字式芯片在这两种芯片的基本工作原理有根本的不同:数字式芯片在计量准确度、线性度、稳定性、抗干扰、温度漂移和时间计量准确度、线性度、稳定性、抗干扰、温度漂移和时间漂移等方面远远优于模拟式芯片。漂移等方面远远优于模拟式芯片。第一节第一节 电子式电能表的结构和原理电子式电能表的结构和原理第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和
13、最大需量电能表一、脉冲电能表一、脉冲电能表 脉冲电能表是一种将电能参数转换为脉冲输出的表计。脉冲电能表是一种将电能参数转换为脉冲输出的表计。将感应式电能表转盘的转数转换为脉冲送至电子电路进行将感应式电能表转盘的转数转换为脉冲送至电子电路进行处理,构成机电一体式预付费电能表、多功能电能表等表处理,构成机电一体式预付费电能表、多功能电能表等表计。计。图3-5 脉冲电能表组框图一、脉冲电能表一、脉冲电能表感应式测量机构的主要功能是将电能量转变为转盘的转数。感应式测量机构的主要功能是将电能量转变为转盘的转数。光电转换器的功能是将正比于电能的转盘转数转换为电脉光电转换器的功能是将正比于电能的转盘转数转换
14、为电脉冲,此脉冲数也正比于被测电能。光电转换器是机电脉冲冲,此脉冲数也正比于被测电能。光电转换器是机电脉冲式电子电能表的关键部分式电子电能表的关键部分分频器和计数器的主要功能是将经光电转换器转换成的脉分频器和计数器的主要功能是将经光电转换器转换成的脉冲信号进行分频、计数、从而得到所用电能量。冲信号进行分频、计数、从而得到所用电能量。第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表 光电转换器(又称光电头)光电转换器(又称光电头)由发光器件和光敏器件组由发光器件和光敏器件组成。成。发光器件采用发光二极管发光器件采用发光二极管光敏器件采用光敏三极管光敏器件采用光敏三极管第二节第二
15、节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表一、脉冲电能表一、脉冲电能表图3-6 光电头安装结构图(a)穿透式光电头(b)反射式光电头二、最大需量电能表二、最大需量电能表1.最大需量的概念。最大需量的概念。在一定结算期内(如一个月),所有用户需量中的最大值,即为该用户的当月最大需量,可用MD表示。每次抄表后,最大需量应复位(清零)。第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表2.计量最大需量的意义计量最大需量的意义大工业用户申请接电时,必须申报其变压器装机容量及最大需量,供电部门根据容量或最大需量设计、敷设新线路及配置供电设备。国家对大工业用户实行“两部制电价
16、”。两部制电价包括:w电度电价电度电价。按用户用电度数(kWh)计算的电价;w基本电价基本电价。按用户最大需量或变压器容量(kVA)计算的电价。第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表二、最大需量电能表若申请需量大,实际负荷小若申请需量小,实际负荷大供电容量占空,投资浪费设备线路过负荷,影响供电质量,甚至使设备损坏3.最大需量测量方法最大需量测量方法区间式:每隔15min依次测量平均功率,然后对每个平均值进行比较取得最大值。滑差式:每隔1min计算一次15min的平均功率。第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量
17、电能表二、最大需量电能表图3-8 最大需量的测量方法(a)区间式求MD(b)滑差式求MD 4、感应式最大需量表、感应式最大需量表 最大需量指示器利用时间机构,在一定的时间间隔内使指示器通过齿轮与电能表转轴螺杆相连接,从而记录了此间隔内平均功率。第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表二、最大需量电能表图3-9 需量表推动指示针运行曲线5、多功能电能表测量最大需量第二节第二节 脉冲电能表和最大需量电能表脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表二、最大需量电能表计算115min 的平均功率P1,并保存到最大需量的单元PM计算216min 的平均功率P
18、2P2(PM)?P2 取代PM中的值PM中始终保持15min平均功率的最大值最大需量。是依次类推表3-2 每分钟采集的脉冲数第三节第三节 预付费电能表和分时计量电能表预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表一、预付费电能表预付费电能表又叫购电式电能表,是一种用户必须先付电费,然后才可用电的电能表。用电户通过介质将所购电能数预置到该电能表中,电能表据此数据经处理、识别而提供用户用电。按使用介质的不同,预付费电能表的发展大抵经历了投币式、磁卡式、电卡式、IC卡式等几个阶段。第三节第三节 预付费电能表和分时计量电能表预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表一、预付费电能表两个主要功能模块:电
19、能计量部分微处理器控制图3-10 预付费电能表组成框图1.电能计量部分电能计量部分电能计量部分使用单相电能测量专用集成电路。工作原理:电能计量部分使用单相电能测量专用集成电路。工作原理:由分压器完成电压取样,由取样电阻完成电流取样,取样后由分压器完成电压取样,由取样电阻完成电流取样,取样后的电压电流信号由乘法器转换为功率信号,经的电压电流信号由乘法器转换为功率信号,经U/f 变换后变换后,产产生表示用电多少的脉冲序列。生表示用电多少的脉冲序列。P(fH)经光偶隔离后输出经光偶隔离后输出,用作校验脉冲用作校验脉冲,与光偶相串的发光与光偶相串的发光二极管可作电能计量指示。二极管可作电能计量指示。P
20、(fH)经经16分频和驱动后成为低分频和驱动后成为低频电能脉冲频电能脉冲P(fL),累计此脉冲即可计算有功电能,所以此脉,累计此脉冲即可计算有功电能,所以此脉冲经光偶隔离后送给单片机,进行电能计量。冲经光偶隔离后送给单片机,进行电能计量。第三节第三节 预付费电能表和分时计量电能表预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表一、预付费电能表2.单片微处理器单片微处理器微处理器(即单片机)作微处理器(即单片机)作IC卡及显示器接口,同时兼作窃卡及显示器接口,同时兼作窃电检测和超负荷控制。电检测和超负荷控制。有窃电或超负荷时,蜂鸣器鸣叫;超负荷时,输出控制信有窃电或超负荷时,蜂鸣器鸣叫;超负荷时,输
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