电子式电能表的结构和工作原理.docx

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电子式电能表的结构和工作原理

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。

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

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

（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。

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、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，

输出高电平，a和

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，

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

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。

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）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。

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

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＝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。

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；电平比较器是具有两个稳态的直流触发器；运算放大器N2、电阻R4和电容C2组成了滤波器。

积分输出电压u1和三角波发生器产生的节拍三角波电压u2都加到电平比较器上，当u1＞u2时，电平比较器输出低电平，S1、S2分别接﹣UN、﹣uy；当u1＜u2时，电平比较器输出高电平，S1、S2分别接﹢UN、﹢uy；当u1＝u2时，为比较器转换状态。

乘法器的输出电压U0就是由S2的动作所得到的幅度为士uy的不等宽方波电压经滤波后的直流成分。

该乘法器电路若干单元输出电压的波形如图3-19所示。

图3-18三角波信号的时分割乘发器电路原理图

1．调宽功能单元

假定输入电压ux为正值，积分器接通ux和﹢UN，输出电压u1从a点（见图3-19）逐渐向下变化（ab段），在ab段内，u1＞u2，达到b点时，u1＝u2。

由于三角波电压继续向上变化，致使u1＜u2，于是电平比较器输出高电平，S1接通﹣UN，积分器输出电压u1转而逐渐向上变化（bc段），达到c点时，u1＝u2，紧接着三角波电压继续下降，u1＞u2，电平比较器输出低电平，S1接通﹢UN，电压u1再次向下变化……。

如此反复，积分器输出电压u1呈锯齿波形。

设开关S1接通﹢UN的时间为T1，接通﹣UN的时间为T2，且T1＋T2＝T。

当系统达稳态时，积分器在T1、T2时间段内的总积分电荷量应为零，即

即开关S1接通﹣UN、﹢UN的时间差（T2－T1）与输入电压ux成正比。

图3-19三角波信号的时分割乘发器波形图

2．调幅功能单元

开关S2在比较器的控制下与S1同时动作，在T1期间接通﹢uy，输出电压u为﹢uy，在T2期间接通﹣uy，输出电压u变为﹣uy。

经滤波器输出后，得到电压U0为u的反向平均值

即输出电压U0与ui成正比，因此整个电路是一个实现了u、i乘积运算的乘法器，它的输出相应于ui乘积的平均值，亦即平均功率。

在调宽电路中，受积分器积分电荷总量平衡条件的约束，对ux的最大幅值有一定限制，它的正边界是当T1＝0、T2＝T时﹣UN所能平衡的ux值，负边界是当T1＝T、T2＝0时﹢UN所能平衡的ux值，因此ux的幅值应满足条件

＜

＜

至于uy，其输入幅值仅受为获取﹣uy的倒相器的动态范围所限制。

目前在全电子式电能表制造业中，采用时分割模拟乘法器的占有相当大比例。

与其他类型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且工艺性好，原理较为先进，具有更好的线性度，其最突出的优点是具有较高的准确度级别，可达到0.01级，基本上解决了如何提高准确度的问题。

其主要缺点是带宽较窄，仅为数百赫兹。

（二）数字乘法器

微处理器在全电子式电能表中主要用于数据处理，而在其测量机构中的应用并不多。

随着芯片速度的提高和外部接口电路的更加成熟，微处理器的功能将得到充分发挥和扩展。

可以预计，应用数字乘法器技术来完成功率／电能测量的前景十分广阔。

采用数字乘法器，由计算机软件来完成乘法运算，可以在功率因数为0～1的全范围内保证电能表的测量准确度。

这是多种模拟乘法器难以胜任的。

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

式中T——交流电压、电流的周期。

图3-20数字乘法器的电能表结构框图

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

这就是用软件计算被测平均功率即有功功率的数学模型。

从上式可以看出，平均功率的计算与功率求解过程与功率因数无关，因此，可以得出采用数字乘法器的全电子式电能表的电能测量与功率因数无关的结论，这是这类电能表的一个重要特点。

A／D转换器的准确度一般较高，其转换误差可以忽略。

通过软件来完成采样及乘法计算的准确度与△t的选取有关。

△t越小，准确度越高，但计算量将增加，且会使实时性变差。

由采样理论可知，连续信号离散后得到的时间序列不丢失原信号的信息，不仅采样频率要满足奈奎斯特定律，而且必须等分连续的信号周期，否则会产生测量误差。

为此采用软件锁相技术将采样频率自动地锁定在输入信号频率的N倍上，这样可以在输入频率发生变化时自动调整采样间隔，使时钟的漂移变化也不会给测量带来误差。

使用微处理器技术制造全电子式电能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一个主要障碍；数字乘法器的发展还要依靠于电路的集成和芯片价格的降低，但其功能强大、性能优越，在未来先进的电能管理领域中一定会广为应用。

三、电压／频率转换器

目前采用的电压／频率转换器，大多是利用积分方式实现转换。

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。

运放N和电容C组成积分器，上下电平比较器有两个比较电平U1、U2。

输出电压波形如图3-22所示。

当开关S接通﹢U1时，电容C充电，输出电压U0往负向变化（ab段）；当达到比较器的下限电平U2时，比较器控制开关S接通﹣U1，C放电，电压U0往正向变化；当达到比较器的上限电平U1时，S再次接通十U1，如此反复，达稳态后，便得到了周期为T的三角波。

由于ab段和cd段的积分斜率是一样的，故积分时间也相等，均为T/2。

根据积分器输入、输出电压关系

得到输出电压U0的频率

即输出频率f与输入电压U1成正比。

图3-21双向积分式电压／频率转换器的原理电路图

图3-22双向积分式电压／频率转换器的波形图

这种电压／频率转换器的主要特点是输出频率较低，选择高稳定性的R、C元件，可使其准确度长期保持在±0.1％的水平。

四、分频计数器

在机电式电能表中，由光电转换器将电能信号转换成脉冲信号；而在电子式电能表中，电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器及电压／频率转换器完成的。

这两种脉冲信号在送入计数器计数之前，需要先送入分频器进行分频，以降低脉冲频率。

这样做，一方面是为了便于取出电能计量单位的位数（如百分之一度位）；另一方面是考虑到计数器长期计数的容量问题。

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。

在电子式电能表中，分频器和计数器一般采用CMOS集成电路器件。

这是因为集成电路器件工作可靠性、抗干扰能力、功率消耗、电路保安和机械尺寸等一系列指标均优于分立元器件组成的电路。

图3-23为分频计数器原理框图和脉冲波形。

图中电压——频率转换器送来的脉冲信号fx经整形电路整形后，可输出一系列规则的矩形波，并输入到控制门，A点的波形如图3-23（b）所示。

把由石英晶体振荡器产生的标准时钟脉冲信号经分频后作为时间基准。

分频后的标准时钟脉冲信号，如图3-23（b）B点的波形也送至控制门，于是控制门打开，将计数脉冲输出，得到如图3-23（b）C点的波形。

计数器可记录时间T内通过控制门的脉冲数，每一个脉冲所代表的电量数经计算确定后，便可经译码电路由显示器显示出来。

（a）（b）

图3-23分频计数器原理框图

（a）框图；（b）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。

它根据光学原理可分为透射式、反射式和半透半反射式；根据视角大小可分为TN型（视角为90o）和STN型（视角可达160o）两种；根据工作温度范围可分为普遍型（0～65oC）和宽温型（﹣30～85oC）。

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。

根据同一正向工作电流下的发光强度可将其分为普亮、高亮和超高亮3种。

发光二极管颜色有红、绿、黄等多种，具有温度范围宽（﹣40～85oC）、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

单相电子式复费率电能表能精确地计量有功电能、最大需量等数据。

该表集有功、分时计费于一体，表中设有4种费率、10个时段；具有遥控器红外编程、掌上电脑红外抄表及RS485通信接口有线抄表功能，是电力部门进行现代化电能测量的理想计量仪表。

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的电能量。

（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。

（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的电量称峰电量，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。

二、工作原理

单相电子式复费率电能表的工作原理框图如图3-24所示。

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，并且存入存储器中，同时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，并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。

图3-24单相电子式复费率电能表能的工作原理框图

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。

滑差时间为l、3、5、15min。

（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

规格见表3-1。

表3-1单相电子式复费率电能表能规格

准确度等级

额定电压Ue（V）

基本电流Ib（A）

表壳类型

1.0

220

5（6）

2.5（10）

5（20）

5（30）

10（40）

1型

15（60）

20（80）

20（100）

2型

五、基本误差

基本误差见表3-1。

表3-1单相电子式复费率电能表能基本误差

基本电流

功率因数cosφ

基本误差（%）

0.05Ib

1.0

±1.5

0.1Ib~Imax

1.0、0.5L、0.8C

±1.0

0.1I