仪 表 技 术 2002年第3期
电子电能表与电能测量技术讲座
木讲座主要介绍由数字式电能计1芯片和少量外围器件构成的电子电能表.及它们在现代电能miI中的应用。
第一讲 电能表的工作原理
本刊编样部
摘要:介绍感应式电能表、脉冲电能表和电子式电能表的基本工作原理
关钮词:电能表;集成电路:测1 刁PJ石乡
1 感应式电能裹的工作原理
现在使用的电能表大部分以感应式原理工作,即,利
用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈
的磁场相互作用,产生驱动力矩驱动铝盘旋转,累计消耗
的电能。而且,作用在电压线圈两端的电压越高,通过电
流线圈的电流越大(即单位时间的用电量尸越多),则驱
电能成正比的脉冲
3 电子电能衰的工作原理
动铝盘转动的力矩Mfg也越大。
铝盘旋转时,切割永久
磁铁的磁通而在其内感应
涡流;此涡流与永久磁铁的
磁场相互作用产生制动力
矩。铝盘旋转越快(转速n
越大),感应的涡流越大,与
水久磁铁相互作用产生的
制动力矩 材制也越大。
Msq =凡n
当转动力矩与制动力
矩大小相等时,
Ken二K, P
M% = KIP.
电子电能表用具有乘法功能的模拟乘法器电路或数
字乘法器电路测量电功率,输出对应的脉冲或数字;对其
累加即得消耗的电能。因基于数字乘法器的芯片运用了
DSP等技术,在精度、线性度、稳定性、抗干扰能力等方面
都优于模拟乘法器电路,因此,具有.更好的发展前景。
教字顺率转换县
:;
。=KIP=KP
入z
在给定的时间 ‘内对上式
积分,得该段时间内消耗的电
能A和对应的总转数N,
N=瓜 二K几 二为当
2 脉冲电能衰的工作原理
脉冲电能表是一类能输出电能脉冲的仪表。它们
通常以感应式电能表的电磁系统为工作元件,配以适
当的脉冲发生装置构成。
若均匀地对感应式电能表的圆周进行分度和作上
标记(打孔、铣槽或印上黑色分度线条等),用穿透式或
反射式光电头发射光束、采集侣盘旋转的标记,然后,
再经光电变换线路变换,普通感应式仪表即可翰出与
图1
图1是说明电子电能表工作原理的框图。输入部
分的两只A/D转换器(ADC)将被测电流和被测电压
转换为对应的数字量,接着,用数字信号处理技术对它
们进行滤波,实现乘法运算等等。
设被测电压 。(动二UOS + U?,cost,被测电流
i(t)二坛十Imcosmt , UOS I los是由温度等引起的直流
偏移,则未经处理的瞬时功率P为
P(t)二u(t)"i(t)
=Uoslos + UOSI."aoso-d+los Umcbsart+
2 U.I?( 1+‘“’
电压偏移(Uos)和电流伯移(los)在功率计算中产
万方数据
2002年第3期 仪 表 技 术
.时功率信号
图2
生直流分量( Uos 6),此分量将通过低通滤波器保留
下来。也就是说,在实际功率计算中将引人误差。为
了去掉直流误差分量,在A/D转换器之后插人(至少
在1个,,/D之后插人)高通滤波器,则相乘之后只含
有功直流分量告(U.I.)。上式中的coswt项和cos2wt
项等都可用低通滤器滤去。
电压信号和电流信号不同相时,使用低通滤波器
仍可从瞬时功率信号中提取有功功率。设被测电压
u(I)二11?,cxswt ,被测电流i (t) = I?,cos(“一60'),则
P(t)二U?,coswt " 1 mcos(wt - 61Y)
二告U?,1?, [..60。十cos(2wt一毋,」
图3
实际功率为各次谐波功率之和,相加即得非正弦
J清况下的功率。允许谐波等引起的误差极限见GB/,r
17215
实际上,低通滤波器并不理想,输出信号中仍有衰
减的工频与它的谐波,影响最大的是由瞬时功率中的
cos2wt项造成的谐波分量。为抑制或平均掉瞬时功率
信号中的非直流分量,可令其通过数字一频率转换器,
在一段时间内累加此数字信号,使正弦信号的平均值
为零,输出与实际平均功率成正比的频率,并直接用它
们来'1动计度器工作(图3)}
有些电能计量芯片带有串行接口,而测量结果或
计算结果一般都存放在对应的寄存器中,因此,借助于
通信技术,就可接收外部微机发来的命令,或者请求微
机服务,将内部寄存器中的数据发送给外部微机,供其
进一步处理,构成我们所要求的电能表
(丁云编发)
尸=合‘了。‘一印。 衰1 百分傲澡差极限(单相仪衰和带平衡负暇的三相仪表)
直流分量为告UmIm的合,即,电流滞后电压
。田习的有功功率为电流与电压同相时的有功功率
的一半(图2)。交流分量可用低通浦波器滤除。
当然,功率因数变化时或被测电流改变
时,会使测量误差增大。按C1级和2级静止
式交流有功电度表》(GB/T 17215一1998)规
定,在规定的参比条件下,其百分数误差不应
超过表1和表2中规定的准确度等级值。
上述计算对纯正弦信号是有效的。当被
测电压和被测电流为非正弦波形时,使用傅里
叶变换,用它们的各次谐波分量表示它们的波
形。同样可推得各次谐波功率Ph的表达式,
Ph=Uh/hCW'Ph ,
式中U,?1、为h次谐波电压、电流的有效
值,华*为h次谐波电压与h次谐波电流的相
位差
电 p瓦 值
功串因数 一
} 百分数IR-差极限
直接接通仪表 经互Id器仪表 11级 2级
0.05100 <0111b 0.皿1?}I<0.0516 一
{ —
! 土1.5
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0.1l,, }- 1 }G I- 0.仍l,ic 1 !} I- 一{士‘.0 z 2.0z 2.5
0.116 l < 0.21y 0.仍1zI<0.11.
。5感性 一
0.8容性
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士1.5
0.216蕊1< I- 0.11.}1E1?o 。5感性0.8容性
士1.0 ‘ 3 2.0
士1.0 一
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当用户特殊要求时 0.25感性
05容性
士3.5 ) 一
士2一5}0.21bE IF In 0.11.f1}- 1.
衰2 百分傲误整极限(带有单相负胶的三相仪衰.电压故路加平衡的三相电压)
电 6瓦 值
功率因数
百分数私链差极限
直接接通仪表 经互感器仪表 l级 { 2级
士300.11y} Ie Im? 0.051.E 1} I- I 士2.0
0.216& 161,E 0.lI.C.1=1- 0.5感性 土2.0 x 3.0
万方数据