第三章-电子式电能表的结构和工作原理

第三章第三章电子式电能表的结构和原理第一节机电式电能表的结构和工作原理第二节全电子式电能表的结构和工作原理第三节单相电子式复费率电能表第四节单相预付费电能表第五节三相三线电子式多功能电能表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。第一节机电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一、单向脉冲式电能表二、双向脉冲式电能表一、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。两种典型光电头的安装结构如图3-3所示。图3-3（a）为穿透式光电头，图3-3（b）是反射式光电头。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。第二节全电子式电能表的结构和工作原理全电子电能表的优点是准确度高、频带宽、体积小，适合遥控、遥测功能。缺点是结构复杂、价格昂贵。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。第二节全电子式电能表的结构和工作原理第二节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、输入变换电路（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）R2．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LILTRKtiRtitu)()()(一、输入变换电路一、输入变换电路（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。（二）电压输入变换电路1．电阻网络实用中，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）＝KUuU（t）一、输入变换电路二、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()()()UXYUtKUtUt（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＝K2uy；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（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A／D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TdttituTP0)()(1NkkikuTP1)()(1二、乘法器电路三、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iiUUUURCTf)(21121四、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。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10µA），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（﹣40～85℃）、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5～10mA）、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。一、常用术语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。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220V交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。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）5V／80ms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。四、规格五、基本误差六、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：99999.9kW·h（4）需量计度器容量：99.9999kW（5）绝缘耐压：≥2000V(AC)（6）功耗（LCD显示）：≤2VA（7）启动电流：0.4％Ib（8）电池功耗（停电不显示时）：≤0.4μA（9）工作温度：﹣20～﹢50℃（10）存储和运输温度：﹣25～﹢50℃（11）湿度：≤75％。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。八、遥控器功能（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0～9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。九、遥控器编程（1）进入编程状态。按“编程”键，此时显示“99-0”，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“0～9”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“0～9”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。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“00XXXXXX”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一、基本原理单相预付费电能表原理框图如图3-25所示。一、基本原理工作原理：测量模块为表计核心，它和普通电子式单相电能表采用相同技术输出功率脉冲到微处理器。微处理器接收到测量部分的功率脉冲进行电能累计，并且存入存储器中，同时进行剩余电费递减，在欠费时给出报警信号并控制跳闸。它随时监测IC卡接口，判断插入卡的有效性以及购电数据的合法性，将购电数据进行读入和处理。它还将数据输出到相应的显示器中显示。二、IC卡技术•IC卡是集成电路卡（IntergratedCircuitGard）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。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，320