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1、1电子式电能表的原理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
2、；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
3、优点。锰铜分流器A 选用 F2 锰铜片，厚度 2mm，取样电阻 Rs 选 175，则当基本电流为 5A 时，1、2之间的取样信号 Ui0.875mV。2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。（） （b）图 3-12 电流互感器电气原理图（）穿线式；（b）接入式i（t ）K I iT（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。 L
4、ILTRKtitiu)()(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3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
5、高。其电路图如图 3-14 所示。u（t）K U uU（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）KU X（t）U Y（t ） ，式中 K是乘法器的增益。4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
6、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，
7、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、T 2 之差（时间量）与 ux 成正比的不等宽方波脉冲，即 T2T 1K 1ux；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uK 2uy；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、u y 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。5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、i y 进行调宽调幅处理，输出的直流电流信号 I0表示电流 ix、i y 乘积的平均值。前
8、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、R 2 输入的电流作求和积分；U N 和U N 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
9、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 u1u 2 时，电平比较器输出低电平，S1、S2 分别接U N、u y；当 u1u 2 时，电平比较器输出高电平，S1、S2 分别接U N、u y；当 u1u 2 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U N，输出电压 u1 从 a 点（见图3-19）逐渐向下变化（a b 段）
10、，在 a b 段内，u 1u 2，达到 b 点时，u 1u 2。由于三角波电压继续向上变化，致使 u1u 2，于是电平比较器输出高电平，S1 接通6U N，积分器输出电压 u1 转而逐渐向上变化（bc 段） ，达到 c 点时，u 1u 2，紧接着三角波电压继续下降，u 1u 2，电平比较器输出低电平，S1 接通U N，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U N 的时间为 T1，接通U N 的时间为 T2，且 T1T 2T。当系统达稳态时，积分器在 T1、T 2 时间段内的总积分电荷量应为零，即 02121 RRxNx )()(221TTux
11、xNuUR121即开关 S1 接通U N、U N 的时间差（T 2T 1）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u y，输出电压 u 为u y，在 T2 期间接通u y，输出电压 u 变为u y。经滤波器输出后，得到电压 U0 为 u的反向平均值 iKURTUyxyxNy 1210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
12、值有一定7限制，它的正边界是当 T10、T 2T 时U N 所能平衡的 ux 值，负边界是当T1T、T 20 时U N 所能平衡的 ux 值，因此 ux 的幅值应满足条件 21R21至于 uy，其输入幅值仅受为获取u y 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
13、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 01 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 TdtituP0)(1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
14、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 NkiuTP1)(8tNT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。AD 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
15、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、U 2。输出电压波形如图 3-22 所示。当开关 S接通U 1 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U 1，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 2121TRC得到输出电压 U0 的频率 iiUTf )(221即输出频率 f 与输入电压 U1 成正比。9图 3-21 双向积分式电压
