电子式电能表的结构和工作原理

1电子式电能表的结构和工作原理第一节机电式电能表的结构和工作原理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、计数器三大部分组成，工作原理框图如图3-1所示。电能感应系测量机构分频器、计数器光电转换器显示器转盘转数图3-1机电式电能表的工作原理框图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，具体的结构及工作原理已在第一章介绍。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，此脉冲数也正比于被测电能，即应满足如下关系111mnCNCW式中W——为被测电能，kW·h；m——为转换后输出的总脉冲数，imp；n1——代表每输出一个脉冲转盘应转动的圈数，r／imp；C——电能表常数，r／（kW·h）。例如，某种机电式电能表的转盘每转一圈发出2个脉冲，即n1＝0.5r／imp,电能表常数C＝1500r／（kW·h），则每输出一个脉冲代表的电能数为00033.0300015.0115001W（kW·h）即这种机电式电能表每输出一个电脉冲代表负载耗电0.00033kW·h。经过简单的光电转换得到的初始电能脉冲信号，由于波形不理想不能直接送至计数器计数或微处理器处理，还必须先经过整形放大、限幅限宽等一系列处理，如图3-2所示。转盘转数初始电能脉冲光电转换整形放大限幅限宽脉冲信号图3-2光电转换器的工作原理图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。由以上分析可以看出，光电转换器是机电式电能表的关键部分。因此，下面将着重2介绍光电转换器的结构和工作原理。根据光电转换器的不同，机电式电能表可分为单向脉冲式和双向脉冲式两种类型。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和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。机电式电能表的光电头多采用红外发光二极管（简称“发光管”）和光敏三极管（简称“光敏管”），这样，外界的电磁波、可见光等干扰都不会影响信号的检测。具体的方法是通过在感应式测量机构的转盘上进行分度并做标记，如打孔、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，采集转盘旋转时的标记得到初始脉冲。两种典型光电头的安装结构如图3-3所示。图3-3（α）为穿透式光电头，在转盘上钻有若干个小孔，发光管和光敏管分别安装在转盘的上、下两侧，光敏管通过接收透射光产生脉冲输出。图3-3（b）是反射式光电头，在转盘边缘均匀地印有黑色分度线，发光管和光敏管安装在转盘的同一侧，光敏管通过接受反射光，产生脉冲输出。(α)(b)图3-3光电头安装结构示意图(α)穿透式；(b)反射式发光管和光敏管都是光电转换器的主要器件，正确的选择和使用它们是决定光电转换器的质量及其实用性的关键。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。图3-4基本的光电转换电路实用的光电转换电路还应具有误动作判断功能，以及将输出初始脉冲整形、放大、3限幅限宽等功能。图3-5所示是一种常用光电转换电路，JEC2是一个高输入阻抗的低功耗射极耦合触发器，按图中的连接，即为施密特触发电路。电路中除了加有积分电路外，R4、C1和R6还组成一限幅、微分电路，把宽度随机的脉冲转化为大小、宽度相等的窄脉冲，以便送给分频器、计数器计数或给微机进行多功能化处理。图3-5常用光电转换电路光电转换器就其结构来说，一般分成两部分，即光电头和光电转换电路。为调配好发光管与光敏管的机械位置，通常设计有固定式台座，并整体地安装在与转动部件配合的支架上。一种最常用的穿透式光电头的机械安装结构如图3-6所示。图中，1为转盘；2为透光小孔，在转盘上可有一个、两个或多个小孔，透光小孔的直径应与发光管外径相当，不宜过大；支架5的作用是固定发光管3和光敏管4的相对位置。安装时，要特别注意发光管、光敏管与透光小孔的配合。图3-6光电头机械安装结构图1-转盘；2-透光小孔；3-发光管；4-光敏管；5-支架二、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。当负载呈感性时正转，对应感性负载的耗能计量；负载呈容性时则反转，用另一计数器对容性负载的耗能计量。另外，一些并网运行变电站使用的有功电能表也有反转的可能，对此，过去一般都采用两只有功电能表分别进行正、反向计量，现在仅用一只双向脉冲式有功电能表即可实现有功电能的正、反转计量。在电路设计和制造上，双向脉冲电能表比单向脉冲电能表复杂，它有两套光电头和4转换电路，分别输出正转和反转电能脉冲。双向脉冲式电能表转盘和光电头安装位置俯视图如图3-7所示。光电头1、2的轴线不通过转盘中心。当转盘逆时针转动（称为正转）时，光电头1每次先接触黑印，光电头2迟后一些；若转盘顺时针转动（称为反转），则光电头2先接触黑印，而光电头1迟后。图3-7光电头安装位置俯视图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。图中，与非门a、c（简称a、c）完成两路光电转换，双向脉冲输出则由双D触发器Ⅰ、Ⅱ和与非门b、d（简称b、d）控制。转盘转动时，经两光电头检测，与非门a、c输出两路脉冲在时间上有差异，使与非门b、d只有一路有输出脉冲。下面结合脉冲时序图说明其工作过程：若a的输出超前c的输出，则各与非门输出时序如图3-9所示。a的第一个脉冲前沿触发触发器Ⅰ，此时因c迟后a，故D1端为低电平，1Q输出高电平，a和1Q同时施加于与非门b，使其输出一低电平。而在c的第一个脉冲前沿触发触发器Ⅱ时，因a超前c，故D2为高电平，2Q输出低电平，将d封锁，因此d没有输出，一直保持高电平。反之，若c超前a，则d有脉冲输出，而b没有。由以上工作原理可知，光电转换器是机电式电能表的重要组成部分，成为连接电能计量功能单元与数据处理单元的纽带。光电转换器是机电式电能表的关键部件，其性能好坏直接影响整个表计的运行质量。进一步提高光电转换器的抗干扰能力和准确度，延长其使用寿命，降低功耗，并使其便于调整，是机电式电能表的发展方向。图3-8双向脉冲输出控制电路5图3-9双向脉冲输出控制电路波形图第二节全电子式电能表的结构和工作原理近年来，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。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基础上发展起来的，采用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。图3-10电子式电能表工作原理框图一、输入变换电路电子式电能计量仪表中必须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）电流输入变换电路要测量几安培乃至几十安培的交流电流，必须要将其转变为等效的小信号交流电压（或电流），否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片；经互感器接入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联，以达到前级互感器二次侧不带强电的要求。61．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该小信号Ui（t）送入乘法器，作为测量流过电能表的电流i（t）。其原理图如3-11所示。锰铜分流器和普通电流互感器相比，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175μΩ，则当基本电流为5A时，1、2之间的取样信号Ui＝0.875mV。图3-11锰铜分流器测量电器原理图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。（α）（b）图3-12电流互感器电气原理图（α）穿线式；（b）接入式i（t）＝KIiT（t）式中i（t）——流过电能表主回路的电流；iT（t）——流过电流互感器二次侧的电流；KI——电流互感器的变比。7LILTRKtiRtitu)()()(式中u（t）——送往电能计量装置的电流等效电压；RL——负载电阻。（二）电压输入变换电路和被测电流一样，上百伏（100V或220V）的被测电压也必须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。图3-13典型电阻网络线路图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。u（t）＝KUuU（t）式中u（t）——被测电压；uU（t）——送给乘法器的等效电压。图3-14电压互感器电路图8二、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U0（t）＝KUX（t）UY（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出发，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。根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。凡是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。若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。若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部分，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行调宽调幅的工作过程。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T2－T1＝K1ux；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u＝9K2uy；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。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ix、iy进行调宽调幅处理，输出的直流电流信号I0表示电流ix、iy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乘法器。采用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ux，被测电流转换成电压uy。图中电路的上半部分是调宽功能单元，下半部分是调幅功能单元。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控制并同时动作的开关；电平比较器是具