电能表常用知识分析

《电能表基础知识》

工程部：王万年

2007年4月27日

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从20世纪90年代初，电子式电能表从出现到目前海内外大面积的使用说明电子式电能表已逐步被用户接受，无论从质量上还是技术上已走向成熟。电子式电能表的种类繁多，包括普通电子式电能表，带各种通信接口、预付费、多费率和多功能的单、三相电能表。普通电子式电能表是指仅仅具有计量功能的电能表，显示方式主要有机械计度器、数码管和液晶三种方式。从发展趋势看，由于机械计度器在抗强磁方面存在缺陷，因此在防窃电方面，数码管和液晶两种显示方式将会有更大的市场空间，但成本较高，目前国内部分省市已开始推广使用，国外也有较大需求。防窃电式电能表主要是指电流反接、负载接地等情况下能正常计量。由于电力供应紧张，为了合理使用电力资源，推广使用实行尖峰平谷电价的分时表，各种多费率电能表，特别是工业用的三相电能表会逐步地被多费率、多功能的电子式电能表取代。例如现在我们公司生产的带有载波、485、红外、射频通讯功能的表，都是为了解决抄表难的问题，自动抄表系统也在被越来越多地采用。

电能表的发展2模块化的电能表1.电能表是一计量工具所以不管怎么发展怎么改变他必须要以计量功能为主，而随着科技的发展和人们对电子用品的完善，不断的在原来的基础上外加了一些功能，也就是说我们在计量的基础上外加一些功能能更方便更快捷的抄表以及操作电能表。2.我们的电表外加功能一般是以客户要求而外加的。例如：某客户需要一款带有时钟﹑停电抄表及载波通讯的表，那么我们会将这些模块和计量模块合理设计排板制作以达到客户的要求。时钟模块485通讯模块射频通讯模块计量模块红外通讯模块预付费模块……载波通讯模块停电抄表模块3

下面我们讨论电能表用运的一些电路及功能和常用元件的工作原理和特性

4单相正弦交流电iImπ2πTπ2ψωt

电流表达式I=Imsin(ωt+ψ)T:正弦量变化一次所需的时间（秒）称为周期。uƒ：每秒内变化的次数称为频率。它们的关系是ƒ=1/T

正弦量变化的快慢除用周期和频率表示外，还可以用角频率ω来表示。因为一周期内经历2π弧度所以角频率为

ω=2π/T=2πƒ5三相正弦交流电2ππωtuaubuc0120.120.120.uaubuc6预付费电能表工作原理液晶显示器MCUM68HC05L5IC卡接口非易失储存器电能计量芯片BL0932分压分流器断电机构蜂鸣器窃电信号校验脉冲220V进线负载出线uipFPPA0，1PB6PC3PD5，6SPIPC5/EV0超负荷控制7MCU工作原理KW.hVLCD1VLCD2VLCD3PB0PC3/TCAPPB6PC6/IRQ2RESETVddVssOSCXOSCFPPD03/BP1-4PC5/EV0PA1PA0PC4/EV1PA2PA3PA7PCO/SCLPCO/SDOPCO/SDIPD5PD6VccDCLKINGND卡座Vcc设置信号换卡信号CLKDIDOVccNCORGGNDCS43215678控制继电器复位信号+5V4MHZ+5V窃电信号掉点检测电能计量脉冲+5V8计量单元工作原理ui几百伏几百安输入级乘法器P/f变换记数显示控制fP几mV几mAƒH

ƒL

电能计量单元

数字乘法器

A/DA/DP（D）数字乘法器记数、比较控制器

P（D）ƒH

ƒ0P/f变换9

这是一个将220V交流电压，变为5V纯直流电压的电路。从图中可以看到，220V交流电压通过压敏电阻VR1和聚脂电容C1稳压和滤波输入变压器TR1的初级线圈，同时压敏电阻VR1也有保险的作用。变压器将电压通过降压后再用整流二极管D1对其进行整流。所以经过二极管D1的是整流电压，然后将一个大大电容和一个小电容并联起来，这完全利用了电容的特性（由于大电容在高频时会处于开路状态而小电容的容抗远大于大电容所以处于工作状态）滤除各种高频干扰信号，从而得到了纯直流电压输入三端稳压器U1的集电极经过稳压后得到一个纯直流电压+5V，那么图中的其他两个二极管D2，D3主要是保护作用，D2是当电容处于开路状态时使其形成回路。D3当输入端短路时，给C12一个放电的通路，防止C12两端电压激穿调整管的发射结。

电表常用电路AGND

Zero1243+5vGND

Vin

+5vNJM78L05A132++VR1VR2C1D1D2C11C12C2C3D3U1TR110互感现象

这一原理在电能表中常用到的我们先做个实验。实验：有线圈L1和L2，其中在线圈L1回路中接入电池E和开关S在线圈L2中接入一个检流表。当开关S闭合时检流表指针有变化，说明线圈L2中有电流。分析：线圈L1有了电流产生了变化的磁通，这一变化的磁通穿过了线圈L2。由于线圈L2中存在变化的磁通，所以线圈L2两端要产生感应电动势，便有电流。这就叫互感现象。总结：1.线圈L1和线圈L2之间存在磁耦合又称互感现象。2.为了定量表征互感偶合情况，出现了互感系数M，其是互感线圈的固有参数，它的大小与两个线圈的匝数，相互间的位置，几何尺寸等因素有关。ESL1L211

变压器的工作原理1.前面我们说到的互感现象，在这里也基本相似的。当初级线圈输入交流电压后，它的线圈产生了交变磁场，而这一交变磁场磁力线是经过次级线圈形成回路的，当次级线圈回路闭合时它的线圈会切割初级产生的磁力线，这样就产生了感生电动势，在次级线圈两端就有了交流电压。2.从图中的电路符号可以看出变压器的线圈结构情况，它也是利用线圈互感特性构成的。3.所示电路符号中共有三组线圈，即1~2为一次线圈（初级）3~4和5~6各组成两个二次线圈（次级）.

初级次级1次级2654321铁芯屏蔽层12（3）隔离特性我们在图中可以看到输入变压器初级的是220V交流电压也就是市电，它的零线是接地（地球）的也就是说零线与大地之间有220V交流电压，这样我们只要接触到一根火线人体就会有220V电压流过，会有生命危险。现在我们做一个初级和次级匝数比为1：1的变压器当初级输入220V电压时次级输出电压也为220V，但是不同的是，次级不像初级是火线以大地为参考端，而是次级两端（3~4）的电压，初级线圈跟次级线圈之间高度绝缘。次级每一端跟地的电压为0V。

初级4321次级1：1T220V火地0V0V注：当人身同时接触到次级两端便有220V加到人身上。有生命危险13（2）电压与电流之间的关系

下面我们分析变压器初级和次级线圈电压和电流的关系。（为了方便我们设变压器本身没有能量损耗）设初级线圈输出的功率为P1，次级线圈输出的功率为P2所以我们得出下式P1=P2由P1=V1.I1；P2=V2.I2。V1.I1=V2.I2（P1=P2）；V1I2—=—V2I1从上式可以看出：降压变压器（V1＞V2）输出的电压低但是输出的电流大。升压变压器（V1＜

V2）输出的电压高但是输出的电流小

各线圈电压和电流之间的关系仍然可以用上面的公式计算出来。14(4).同名端的特性1.关于变压器的同名端从图中可以看到1和3端各标了一个黑点，这就是同名端的标记，也就是1和3两断是同名端。同名端就是表示他们的电压相位是相同的关系，也就是说他们的电压同时增大或同时减小。而次级线圈下端（4点端）电压相位与上端正好相反。2.同名端跟初级和次级绕线的方向是有关系的，当初级和次级线圈以同一个方向绕在铁芯时，两个线圈的头是同名端，线圈的尾也是同名端。而同一个线圈的头和尾上的电压相位是相反的关系。42T..V0tV0tV0t1315从各个电能表读出的数据先集中起来，然后再传送到电能表管理中心，然后统一管理，我们常用的传送方式有；1.利用电力线实施载波通讯传诵数据。2.利用电话网络进行数据传送。3.利用无线方式传送数据。4.利用光纤方式传送数据。我们在下面的图中可以看到它是一个完整的自动抄表系统。数据采集器将其相连电表的数据读出，而台区集中器又与其同一变压器供电范围内的所有数据采集器通讯收集并储存台内所有电表的数据，其通讯方式可以是RS485方式或电力线载波方式。然后可以通过调制解读器（MODEM），用无线方式，也可以用车载电台，依次唤醒各台区的集中器传送数据。当然也可以直接用掌上机对采集器、集中器通讯收集数据传送到电能管理中心。下面我们会详细的说明其中传送方式的原理。电能表的自动抄表技术16自动抄表系统电子表感应表感应表数据采集器数据采集器台区采集器MODEMMODEM用电检测中心掌上机RS485/232电力载波车载电台电子表17这种技术使用很广泛，在电表传送数据的发射端，先将数据编码，然后将其调制到40KHZ的载波上，然后由红外发射管将电信号以光的形式发送出去。在接收端先用光敏管把光信号接收下来，还原为电信号，然后用解调器解出数据编码，最后由译码器译出信息内容。

红外传送+5V+5V+PD6/SC10EVOSCI/EVI红外发红外收18调幅信号和调频信号的概念概念：调制就是一个频率较底的信号（如音频信号）去控制（改变）另一个频率高的多的信号的幅度，频率或相位，这种一个信号的变化规律去改变另一个信号的变化规律的过程叫做调制。调频高的多的那个信号称之为载波。方式：1.调幅2.调频3.调相目的：为了传送那个频率底的信号（便于无线电信号的发射）另一个目的是为了将两个信号变为两个频率较高的复合信号。我们的电能表就是用运了这一原理来操作电表和抄表如：载波表，射频表等。19调制信号

1.这是一个音频信号也就是所要传送的信号。2.因为它频率底，幅度小所以不便于远距离发射。V020载波1.这是一个载波信号，由于它是一个高频率等幅正弦波信号，所以传送的距离很远。2.载波频率远远高于音频信号的频率。载波21普通调幅

1.我们将这两个信号通过调频器进行调制（调幅），得到在空中传播的高频调幅信号，也叫高频信号，又叫射频信号。2.经过调幅的信号其载波的频率没有改变，但是它的幅度改变了，高频信号的幅度变化规律就是所要传送的音频信号。V0载波22调频信号

我们将两个（音频信号和载波信号）特性相同的信号进行调制，可以看出载波信号的频率发生了变化，其频率改变的规律与音频信号的幅度变化规律有关，即调频信号频率的变化规律就是所要传送的的音频信号变化规律。优点：抗干扰性强。音频信号abd高频信号23平衡调幅