CN103454464A

CN103454464A - 一种电表的防6kv浪涌电路及供电电路

Info

Publication number: CN103454464A
Application number: CN2013102865088A
Authority: CN
Inventors: 钱海波; 陈刚; 陈凯
Original assignee: Holley Technology Co Ltd
Current assignee: Holley Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103454464B

Abstract

本发明公开了一种电表的防6KV浪涌电路及供电电路，其内设置有机械计度器、阻容降压电路、直流变换电路、远红外通讯电路、电能计量电路及电量存储电路，其中220V电网交流电压经过所述阻容降压电路转换为±12V电压以输出给直流变换电路，然后连接远红外通讯电路、计度器和电能计量电路并为之提供各自工作电压，所述电量存储电路耦合于电能计量电路用以存储电量信息，所述机械计度器连接所述电量存储电路，所述远红外通讯电路连接所述电量存储电路。保留原有机械计度器表的基础上增加远红外通讯模块实现机电相结合的电表设计，成本低廉，设备简单，并解决了抄表员人工抄表效率低下的问题，同时给出了具体的电表计度方法。

Description

一种电表的防6KV浪涌电路及供电电路

技术领域

本发明主要涉及一种应用于电能表的，防4-6KV浪涌电压的电源电路，可广泛应用于单相和三相电能表中。

背景技术

为了防止高电压产生的大能量的浪涌冲击导致表计烧毁无法计量照成巨大损失，现在电子式电能表中普遍采用在电源输入侧并联压敏电阻的方式对浪涌能量进行吸收钳位。因为浪涌能量巨大，4KV测试时浪涌电流达到1.3KA以上，产生的绝大部分能量被压敏吸收。当浪涌电压达到6KV时浪涌电流更是达到了2.3KA以上。但是压敏电阻对于吸收巨大的浪涌能量有次数限制，反复吸收浪涌能量会导致压敏电阻氧化锌颗粒逐渐失效最终导致压敏爆炸并烧毁PCB电路板以及后端器件。

发明内容

本发明主要公开一种应用于电能表的，防4—6KV浪涌的阻容降压电路，通过防浪涌保护，解决了传统电能表电路中压敏电阻在反复浪涌条件下因为本身吸收浪涌次数有限且吸收量大而造成压敏电阻在高电压的浪涌冲击下爆炸以及烧毁后端器件的问题，可广泛应用于使用阻容降压电源的单相和三相电能表中。与此同时，可作为电表的供电电路为电表供电。

本发明的第一实施例提供电表的防6KV浪涌电路，包括取电部和与之耦合的负半周翻转部，通过所述取电部获取外部6KV浪涌电压，通过负半周翻转部输出直流电压。

在一个特定实施例中，所述取电部包括阻容降压电路及与之并接的浪涌保护电路，外部6KV浪涌电压通过所述阻容降压电路分压后产生梯形交流波形，经过所述浪涌保护电路加以钳位。

在一个特定实施例中，所述阻容降压电路是由电阻和电容串接组成，所述浪涌保护电路包括双向TVS管，其中所述电阻选用绕线电阻，所述电容为安规电容。所述的双向TVS管的英文全称为Transient Voltage Suppresson，中文译名为瞬变电压抑制二极管。所述TVS管的两端在经受瞬间高能量冲击时能以极高的速度使其自身的阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值，防止后端电路器件受瞬态高能量的冲击而损坏。

在一个特定实施例中，负半周翻转部包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件，以及储能器件；所述整流滤波电路包括四个整流管，以及与之耦合的滤波器件。所述四个整流管构成桥式整流电路，包括梯形交流波正半周导通支路的两个整流管以及梯形交流波负半周导通支路的两个整流管。

在一个特定实施例中，当所述负半周翻转部接收来自所述取电部的梯形交流波形正半周电压时，通过桥式整流电路中的正半周导通支路的一个整流管整流，由串接的滤波器件滤波后输出直流电压，同时通过导通开关器件使得储存在储能器件中的电能通过桥式整流电路中的正半周导通支路的另一个整流管对滤波器件加以充电，之后经过开关器件返回所述储能器件负极；当所述负半周翻转部接收来自所述取电部的梯形交流波形负半周电压时，截止开关器件，通过梯形交流波负半周导通支路的两个整流管对串接的储能器件进行充电。

传统的使用压敏电阻，好处是经过压敏电阻把电压钳位后，后端电压只有1KV左右的电压，但是因为压敏电阻把电压钳位住，大量的能量只能由压敏电阻承担。本领域技术人员所知的吸收能量的计算方式为：

Q=I×U×T；

Q—吸收热量；I—电流；U—电压；T—时间。

按照常规技术，因为吸收时间较短，浪涌波形为开路电压1.2/50us时，通过相应电压U对应电流I的乘积得到功率1.8MW，再乘以1.2us具有2.16焦耳能量，而通过本发明，6KV高压能量经过整体电路的吸收，只有0.086焦耳，相差了25倍左右。本发明可以通过电路的设计减小压敏电阻能量的吸收，减小了压敏电阻的负担，并且使用改进型的阻容降压电源以抗更高浪涌电压，最高可达6KV的浪涌。

本实施例没有采用压敏电阻，不会产生巨大的浪涌电流，常规的方案使用压敏电阻，后端电路可承受1kv左右的高压而不损坏，但是压敏电阻要承受巨大的浪涌电流，4KV时1.35KA的电流从压敏流过，6KV时已经达到2.275KA，本实施采用绕线电阻，因为是电阻丝的形式，不怕高压冲击，相比常规阻容降压电路使用的金属膜电阻或碳膜电阻，在高压冲击下直接开路使后端的电路不能工作。其次，采用安规电容，根据容抗公式：

Xc=1/(2πfC)

Xc—容抗，f—电流频率，C—电容值大小。

得在1.2/50us波形浪涌电压下容抗为1Ω，对比200圈的绕线电阻，其上面承受的浪涌能量只有绕线电阻的1/200。常规的聚丙烯电容，大电流下容易因内部导电涂层破坏造成容量减小。再者，采用能瞬间吸收最大功率为600W的TVS管，允许的冲击电流值达到36A，反应速度5ns，均优于传统稳压二极管。

本发明的第二实施例提供一种电表供电电路，设有阻容降压部，其包括取电部和与之耦合的半波整流部，通过所述取电部获取外部交流电力源，通过半波整流部输出稳定的直流电压。

在一个特定实施例中，所述取电部由电阻、电容和双向TVS管串接组成，其中所述电阻选用绕线电阻，所述电容为安规电容，其中外部交流电力源电压通过所述取电部钳位至±5V电压。

在一个特定实施例中，半波整流部包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件，以及储能器件；所述整流滤波电路包括四个整流管以及与之耦合的滤波器件。所述四个整流管构成桥式整流电路，包括梯形交流波正半周导通支路的两个整流管以及梯形交流波负半周导通支路的两个整流管。

在一个特定实施例中，当所述桥式整流电路接收来自所述取电部的+5V电压时，通过梯形交流波正半周导通支路的一个整流管整流和串接的滤波器件滤波后输出直流电压；当所述桥式整流电路接收来自所述取电部的-5V电压时，截止开关器件，通过梯形交流波负半周导通支路的两个整流管对串接的储能器件进行充电；当下一个接收+5V电压周期时，通过导通开关器件使得储存在储能器件中的电能通过梯形交流波正半周导通支路另一个整流管并对滤波器件加以充电，之后经过开关器件返回所述储能器件负极。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理图。

具体实施方式

参照图1，电表的防6KV浪涌电路实施例包括取电部1和与之耦合的负半周翻转部2，通过所述取电部1通过输入端UL和UN获取外部6KV浪涌电压，通过负半周翻转部2输出直流电压VCC。

其中，取电部1包括阻容降压电路及与之并接的浪涌保护电路，外部6KV浪涌电压通过所述阻容降压电路分压后产生梯形交流波形，经过所述浪涌保护电路加以钳位得±5V电压。

作为进一步优化，所述的阻容降压电路是由电阻R1和电容C1串接组成，所述浪涌保护电路包括双向TVS管D1，其中所述电阻R1选用绕线电阻，所述电容C1为安规电容。

负半周翻转部2包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件Q1，以及储能器件E1；所述整流滤波电路包括整流管D2、D3、D4、D5，以及与之耦合的滤波器件E2。

当所述负半周翻转部2接收来自所述取电部1的梯形交流波形正半周电压时，通过整流管D2整流和串接的滤波器件E2滤波后输出直流电压VCC，同时通过导通开关器件Q1使得储存在储能器件E1中的电能通过整流管D4对滤波器件E2加以充电，之后经过开关器件Q1返回所述储能器件E1负极；当所述负半周翻转部2接收来自所述取电部1的梯形交流波形负半周电压时，截止开关器件Q1，通过整流管D3、D5对串接的储能器件E1进行充电。

本实施例吸收6KV浪涌电压，并可以将此高电压转换为供给电表功能器件工作的电压VCC，在防止浪涌冲击电路的同时实现能效转化。

取电部1：由绕线电阻R1，安规电容C1,双向TVS管D1组成。外部交流电压通过R1，C1串联分压后，在双向TVS管D1两端得到梯形波的交流波形。当大浪涌测试时，浪涌电压经过R1和C1分压后由D1钳位。

GB/T17626.5Z中规定了浪涌波形为开路电压1.2/50us，等效输出电阻为2Ω。假设C1采用390nF电容，根据容抗Xc=1/(2πfC)得在1.2/50us波形浪涌电压下等效电阻为1Ω，R1取200Ω时浪涌电流为19A，R1两端的峰值电压为3.9KV，流过C1和D1的电流为19A。

传统的阻容降压设计中，电阻采用金属膜电阻，电容采用聚丙烯电容（CBB电容），采用稳压二极管。电阻在3.9KV瞬间高压下很容易因金属膜气化而开路，聚丙烯电容（CBB电容）在19A电流下容易因内部导电涂层破坏容量减小，流过稳压二极管的19A电流大大超过稳压二极管0.3A最大冲击电流值，容易导致稳压二极管击穿。当减小电阻阻值来减小，电阻两端电压会导致浪涌，电流增大导致聚丙烯电容（CBB电容）和稳压二极管更容易损坏，增大电阻阻值减小浪涌电流又会导致电阻两端的电压增加，电阻开路。基于以上原因，传统的阻容降压方案在交流输入端再并联压敏电阻进行浪涌电压钳位。测试4KV，2Ω内阻浪涌时浪涌电流达到1.3KA。压敏电阻瞬间吸收了1.8MW的浪涌功率。

本发明中所述电阻R1采用绕线电阻，绕线电阻内部为金属丝绕制而成，抗瞬间高压能力远优于金属膜电阻。电容C1采用安规电容，其内部电容介质采用耐高压，耐冲击设计，抗大电流冲击能力优于传统的聚丙烯电容（CBB电容）。采用TVS管，允许冲击电流达到36A，反应速度5ns，均优于传统稳压二极管。测试4KV，2Ω内阻浪涌时浪涌电流只有18A。

负半周翻转电路：由电阻R2，二极管D2，D3，D4，D5，三极管Q1，电容E1，E2组成。

梯形波交流电正半周通过D2整流后经E2滤波得到VCC电压，同时正半周电压通过R2使得Q1导通，储存在E1中的电量通过D4对E2充电后经过Q1返回E1负极。当梯形波交流电负半周时，通过D5，E1，D3对E1充电。

传统的半波整流电路只能利用正半周的电流，输出电流只有0.5Ia（Ia为交流输入电流），全波整流虽然输出电流可以达到Ia，但是输出浮地，不适合电能表中接地同时又是接火线的要求。本方案在满足了接地与接火线的同时，输出电流又可以达到0.9Ia。

在另一个方面，本发明实施例又可作为一种电表供电电路，它包括阻容降压部，它包括取电部1和与之耦合的半波整流部，通过所述取电部1获取外部AC电力源，通过半波整流部输出稳定的直流电压VCC。

取电部1包括电阻R1、电容C1和双向TVS管D1串接组成，其中所述电阻R1选用绕线电阻，所述电容C1为安规电容，其中外部AC电压通过所述取电部1钳位至±5V电压。

半波整流部包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件Q1，以及储能器件E1；所述整流滤波电路包括整流管D2、D3、D4、D5，以及与之耦合的滤波器件E2。

当所述半波整流部接收来自所述取电部1的+5V电压时，通过整流管D2整流和串接的滤波器件E2滤波后输出直流电压VCC；当所述半波整流部接收来自所述取电部1的-5V电压时，截止开关器件Q1，电流从图示符号的接地端GND通过整流管D3、D5对串接的储能器件E1进行充电；当下一个接收+5V电压周期时，导通开关器件Q1使得储存在储能器件E1中的电能通过整流管D4对滤波器件E2加以充电，之后经过开关器件Q1返回所述储能器件E1负极。

工业实用性分析

本发明通过上述实施例的电表，各取10块采用本实施例的单相电能表和10块传统阻容降压方案的单相电能表进行浪涌测试，浪涌冲击10秒/次，每只打200次冲击。

Claims

1.一种电表的防6KV浪涌电路，其特征在于：包括取电部（1）和与之耦合的负半周翻转部（2），通过所述取电部（1）获取外部6KV浪涌电压，通过负半周翻转部（2）输出直流电压（VCC）。

2.根据权利要求1所述的防6KV浪涌电路，其特征在于：所述取电部（1）包括阻容降压电路及与之并接的浪涌保护电路，外部6KV浪涌电压通过所述阻容降压电路分压后产生梯形交流波形，经过所述浪涌保护电路加以钳位。

3.根据权利要求2所述的防6KV浪涌电路，其特征在于：所述阻容降压电路是由电阻（R1）和电容（C1）串接组成，所述浪涌保护电路包括双向TVS管（D1），其中所述电阻（R1）选用绕线电阻，所述电容（C1）为安规电容。

4.根据权利要求1或2所述的防6KV浪涌电路，其特征在于：所述负半周翻转部（2）包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件（Q1），以及储能器件（E1）；所述整流滤波电路包括四个整流管（D2—D5），以及与之耦合的滤波器件（E2）。

5.根据权利要求4所述的防6KV浪涌电路，其特征在于：当所述负半周翻转部（2）接收来自所述取电部（1）的梯形交流波形正半周电压时，通过整流管（D2）整流和串接的滤波器件（E2）滤波后输出直流电压（VCC），同时通过导通开关器件（Q1）使得储存在储能器件（E1）中的电能通过整流管（D4）对滤波器件（E2）加以充电，之后经过开关器件（Q1）返回所述储能器件E1负极；当所述负半周翻转部（2）接收来自所述取电部（1）的梯形交流波形负半周电压时，截止开关器件（Q1），通过整流管（D3）、（D5）对串接的储能器件（E1）进行充电。

6.电表供电电路，其特征在于：设有阻容降压部，它包括取电部（1）和与之耦合的半波整流部，通过所述取电部（1）获取外部交流电力源（AC），通过半波整流部输出稳定的直流电压（VCC）。

7.根据权利要求6所述的电表供电电路，其特征在于：所述取电部（1）包括电阻（R1）、电容（C1）和双向TVS管（D1）串接组成，其中所述电阻（R1）选用绕线电阻，所述电容（C1）为安规电容，其中外部交流电力源（AC）电压通过所述取电部（1）钳位至±5V电压。

8.根据权利要求6所述的电表供电电路，其特征在于：所述半波整流部包括：连接所述阻容降压电路的整流滤波电路；耦合于所述整流滤波电路的开关储能电路，用于根据所述梯形交流波形进行周期性地储能，其中所述开关储能电路包括连接所述阻容降压电路的开关器件（Q1），以及储能器件（E1）；所述整流滤波电路包括四个整流管（D2—D5），以及与之耦合的滤波器件（E2）。

9.根据权利要求7或8所述的电表供电电路，其特征在于：当所述半波整流部接收来自所述取电部（1）的+5V电压时，通过整流管（D2）整流和串接的滤波器件（E2）滤波后输出直流电压（VCC）；当所述半波整流部接收来自所述取电部（1）的-5V电压时，截止开关器件（Q1），通过整流管（D3）、（D5）对串接的储能器件（E1）进行充电；当下一个接收+5V电压周期时，通过导通开关器件（Q1）使得储存在储能器件（E1）中的电能通过整流管（D4）对滤波器件（E2）加以充电，之后经过开关器件（Q1）返回所述储能器件（E1）负极。