电子式单相电能表设计研究

　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

　　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

　　2.1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Imsub>ax=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=212uΩ.故可以选择150uΩ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%Ib=15x0.005=0.075A,这就意味着在150uΩ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Φ1.75mm铜线的电阻为 14.1mΩ。那么用0.15m长的该铜线做短路线，电阻为2mΩ。相对与150uΩ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.

　　2.3 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=82OΩ，R1的值可以得出：R1=R2x(Vmax-Vipmax)/Vipmax=82OΩx(325V-66OmV)/66OmV=O.4MΩ

　　2.4 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2 F1和F2的输出频率(100imp/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)≈2654Ω

　　由能提供的电流为I-11O/2654≈41mA.

　　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年能节约大约2O度电.在电源严重缺乏的今天不失为一种很好的选择.

　　3.小结

　　本文利用ADE7755设计了一款高精度低成本的单相电能表，该表的性能完全满足GB/T17215的国家标准.对于不断完善电子式电能表技术，推动其发展是制造业、应用部门以及技术机构义不容辞的责任.