电能表的工作原理

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 l 土25 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 一，t5一 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 I _ 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