电子式单相电能表设计研究

1、电子式单相电能表设计研究南京三能电力仪表有限公司李海林摘要：对电子式电能表原理进行研究，利用ADE7755设计出一款经济型的电子式单相电能表关键词：电子式电能表采样信号开关电源O引言从1986年诞生第一台电子工电能表至今，电子式电能表的历史尚不足2O年，对它的认识以及各项技术的开发、应用正处于方兴未艾的阶段.到2OO3年，我国国内电子式电能表的年产量约为2OOO万只.随着两网改造工作的深入以及“一户一表”制的推广，使得用户电能表数量大增，利用现代技术对用户表计的自动抄表成为市场发展的必然趋势，而在自动抄表中全电子式电能表是最佳选择，其测试精度高、频带宽、过载能力强、功耗小、功能多、在自动抄表中

2、几乎不用考虑数据的准确性.电能表的性能更多的取决于设计，本文从设计的角度对电子式电能表原理进行研究.在下面的设计中选用美国ADI的产品ADE7755.1设计要求设计一款额定电压为11OV，电流为15（1OO）A，频率为6OHz，表常数为16OOimp/kWh，液晶显示的单相电能表.2利用ADE7755设计电能表21构成原理，如图1电能表主要由微处理器、液晶驱动芯片、液晶屏、计量芯片ADE7755和电源电路组成.ADE7755的电压和电流通道皆采用差分输入.电流经分流器将电流转换民电压信号进入VIP攻VIN.电力线22OV电压信号经分压电阻和滤波器变换为最大差动峰值电压为66OmV的电压信号作为

3、V2N的输入.微处理器通过ADE7755的引脚CF采集脉冲，处理后显示.2.2电能的电流输入电流输入信号电平可以通过ADE7755的G1和GO来选择增益.通道1的增益选择如表1：要获得最佳的工作状态，在Imsubax=1OOA的条件下，选择分流器阻值小的可以防止温度过高，温度过高会影响整机的信号.当输入增益为16时，就是保持G1，GO为高电平，通过分流器的峰值电压为3OmV.理想的分流器阻值可以计算：Imax=1OOA（有效值），则最大值为141.4A.分流器电阻Rahut=3OmV/141.4A=212u.故可以选择150u的分流器。对于基本电流Ib=15A的电能表，基本起动电流为0.5%I

4、b=15x0.005=0.075A,这就意味着在150u分流器上的最小取样电压为0.075x150=11.25uA。如果继续减小分流器的阻值就要提高前置大器的分辨力、漂移、噪声、及抗干扰等方面的指标，从而还涉及到电能表整机的焊接工艺难度（从EMC性能角度考虑）。而且选用分流器对防止“U型窃电-短路窃电法”有一定的效果。长Im长1.75mm铜线的电阻为14.1m。那么用0.15m长的该铜线做短路线，电阻为2m。相对与150u分流器则很大了，则流过电能表电流回路的实际电流也达到9O%以上，仅窃电很少部分.23电能的电压输入电压输入通道2（V2N，V29P）也为差分电路.V2N引脚连接到电阻分压电路

5、的分压点上，V2P接地.V2N输入信号在额定线电压条件下，应该被设置为最大差动峰值电压66OmV，理想的分压电路电阻值可以如下计算：线电压Vmains=23OV（有效值），则最大值为Vmax=2O.5x23O=325V(峰值)，根据下面的电路，R2=82O，R1的值可以得出：R1=R2x(VmaxVipmax)/Vipmax=82Ox(325V66OmV)/66OmV=O.4M2.4电能量与脉冲输出的转换230V（有效值4电能量与脉冲输出的转换脉冲常数16OOimp/kWh即代表16OO个脉冲1度电，1个脉冲就是1/16OO=O.OOO625度电.每次采样后采得的电能值在ADE7755的数值频

6、率转换器中累加转换，累计器内的电能值与门限值（每个脉冲的等效电能值）比较，如果超过门限值则产生一个脉冲并从输出端输出.每一次产生脉冲后，从电能量累加器存有的电能值减去门限值，剩下的电能值还存在于电能量累加器中.2.5电能表的频率选择电能表的频率选择也就相当于脉冲常数的设计选择.在设计电能表时，通道2的标称电压应设在半满度值，以便对仪表常数进行校准.电流通道在最大负载时也不应超过半满度值，这样考虑能允许对过电流信号和峰值因数信号进行累积.表3给出了半满度交流输入时F1和F2的输出频率.表2给出了线电压为22OV情况下，表常数为1OOimp/kWh对应的频率：表2F1和F2的输出频率(100imp

7、/kWh)表3半满度交流输入时F1和F2的输出频率(100imp/kWh)从表2中根据Imax=1OOA选择一个合适的F1-4频率，首先选择对应的F1和F2的输出频率O.489Hz，然后与表3对应最接近的选择O.34Hz，于是F1-4为6.8Hz.根据表4可以确定CF的最高输出频率.脉冲输出CF主要用于仪表校准与通讯，CF的频率与瞬时有功功率长正比.1度电1OOOWx36OO秒=11OVx15Ax2182秒，就是说在额定电压基本电流中工作2182秒就产生1度电，表常数16OOimp/kWh就是说1度电产生16OO脉冲，每个脉冲需要的时间为2182/16OO=1.37秒，则频率为O.73hz，此

8、就是CF的频率.所以在此设计中可以保持SCF，SO为低电平，S1为高电平.表4CF的最高输出频率（1OOimp/kWh）2.6电源设计电涌为电路提供能量，它的设计直接影响着电能表的生命.在考虑成本时也要考虑功能，工作电压为11OV，在保证7O%供电即77V也必须能工作.整个电路的总功耗大约在5OmW.2.6.1阻容降压如图1的电源部分采用CBB电容与大功率电阻串联的方式.当选用电容为1uF时，其容抗XO=1/（2IIFC）2654由能提供的电流为I-11O/265441mA.完全能满足后续电路要求，产品实际测量的视在功率为4VA.2.6.2开关电源，如图2图2采用了TNY264电源芯片，这是一个环保电源，功耗低、纹波小、电源早用率高.实测的视在功率仅为1.8VA.成本增加了，但是1年能节约