CN1491361A - 直接连接的电度表测量电路装置 - Google Patents

Abstract

一种直接连接的电度表的测量电路装置(1)，其分别与测量电压的输入端(3)和三相电源中每一相的测量晶片(2)的测量电流的输入端(4)连接。测量电压的输入端(3)上游是一为匹配电压电平所提供的分压器(R₁，R₂)，和根据本发明的装置，测量电流的输入端(4)上游是一具有分流器(R_sh)的变压器(5)。该变压器(5)这样配置以致于其向着分流器(R_SH)的欧姆电阻，一方面，足以限制任何标准的直流电对变压器(5)的冲击和另一方面，其欧姆电阻小到足以与变压器(5)的电感在一起呈现不大于标准的角度误差。

Description

直接连接的电度表测量电路装置

技术领域

本发明涉及计量技术，更具体地说，涉及一种直接连接的电度表的电压和电流测量的测量电路装置。

背景技术

在工业应用上，电子电度表因其有多种优点而已广泛地代替电动机械电度表。现在已知的工业电度表都是间接连接，也就是说通过变流器或变压器来显示相关标准的特性。在电子电度表突出的特性中，应该特别提到它们能远距离读出读数、不需维护、轻巧、准确和适合大量程电流。

由于有这些比电动机械电度表明显好的优点，故而电子电度表的应用也对按户计量的发展起重要的作用。从安装模式可以看出上述家用电度表和工业电度表之间的基本差别：家用电度表一般是直接连接，这表示它们要与供给相关负载的导体直接连接。因此，电流测量起关键的作用，因其为电度表提供电流隔离，还因为这些电度表要满足按照国际标准IEC1036的严格要求。符合该国际标准的电流测量的准确度的要求包括低振幅误差率(＜1％)、低相位误差率(＜0.3°)和低线性误差率。而且，为了符合该标准，直流电容限必须达到I_max/π；这表示即使电流按直流电≤I_max/π的比例混合，这样的一些电子电度表必定能够按照国际标准继续测量。因此，这些电子电度表尽管按直流电I_max/π的比例，也绝不会饱和，但即使受到这样一种直流电的磁偏，这些电子电度必定仍能表示负载电流中高达I_max的交流电部份。

众所周知，测量电路装置利用具有直流电容限高达I_max/π的直流电容限变流器，但这些直流电容限变流器不能适应允许的最大相位移，因为电流和电压之间相位移可能高达5°。这意味着该直流电容限变流器比传统变流器更昂贵，因为要选择特种材料，而且一定要与适当的相位补偿装置相配因此还包括更进一步的花费。

例如，如DE19639410A1中所述的利用延时来校正相位移只能有限地帮助。因为家用电度表是大量生产的产品，在挑选部件中以经济角度考虑尤其重要。因此，在传统电度表中所装的校正相位移只可能用延时在小范围内调整，除此之外，这种延时校正手段没有跟频率偶合，所以该校正与频率本身相关的，故而受到限制。

但只要与能量收费有关的直流电不用被测量，而只不过要忍受，起变流器作用的传感器技术特别由于其简单、经济和坚固的结构将会继续采用。就这方面，直到现在还要考虑到的是对于给定的电流密度以及由于其设计，变流器与别的传感器相比，例如变压器，更大、更重和更昂贵。

发明内容

本发明试图克服上述的问题。因此，本发明的目的在于为上述多种电度表提供一测量电路装置，其即使受到混合电流的冲击也能承受国际标准规定的限制值而不会受到损坏，同时，能安全正确地测量栅频其在有关于有效功率和视在功率的国际标准规定之内且在操作时候常遇到。本发明的目的还在于确保该测量电路装置坚固耐用，而且为了大量应用。其应简单及能以经济成本大量生产。

本发明的目的是通过权利要求1中所述的特征达到的。本发明的附加有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明的主要部份在于对于直接连接的电度表，在变压器的上游以串联连接的一测量分流器使待测电流转换成电压，该变压器既易于以电流隔离下游的测量晶片，又能够承受具有国际标准规定的限值的直流电负载而不会超越电流和电压之间的角度误差的标准限制。必须强调该变压器以这样一方式匹配，即它的欧姆电阻要大到不足以由待测电流的标准限值的最大直流电部份所饱和，而小到足以使与变压器电感结合在一起的最大标准角度误差不超出。

附图说明

附图以简单示意图方式表示了本发明一的实施例。该唯一的附图展示了本发明直接连接的电子电度表测量电路装置。

具体实施例

唯一的附图所示为直接连接的电度表测量电路装置1，对于三相电源的每一相，其都有一测量电压的输入端3和一测量晶片2的一测量电流的输入端4。该测量晶片2设有一校正器6，目的是为了在电压值和电流值之间进行相位补偿。测量电压的输入端3的上游是一分压器，其包括第一电阻R₁和第二电阻R₂，而该分压器把测量电压降低到一适合在其下游以串联连接的测量晶片2的电压电平。

在测量电流的输入端4之前紧接着安装了一变压器5，而该变压器上游也安装了一串联连接的测量分流器R_sh。流过测量分流器R_sh的待测电流产生一与电流值成比例的电压降，利用变压器5使该电压降转换为一适合于测量电流输入端4的电压电平。利用原线组N₁的圈数和次级线组N₂的圈数之间的圈数比N₁/N₂，与测量晶片2上测量电流的输入端4相匹配的电压电平。另外，变压器5也提供了必需的电流隔离。

至于该变压器5所能做到最少的角度误差，必须尽可能小地选择在向着测量分流器R_sh方向的变压器5的初级边的欧姆电阻R值(图中未示)。这将由以下例论据得出：

该欧姆电阻R与变压器5的原线组N₁圈数的平方成比例：

                     (1)  R＝A_R*N₁ ²，

式中A_R是铁芯原线组的比电阻校正值(core-specific primary windingresistance correction value)。

同样适应用在变压器5的电感L(图中未示)，但要考虑到铁芯单位主要电感校正值A_L(core-specific main inductance correction value)：

                     (2)    R＝A_L*N₁ ².

关于角度误差δ，已知按下式表示：

$\left(3\right)\tan \mathrm{\δ}=\frac{R}{\mathrm{\ωL}}=\frac{A_R{N_1}^2}{\mathrm{\ω}{A}_L{N_1}^2}=\frac{A_R}{{\mathrm{\ωA}}_L}.$

由此得出，角度误差δ与变压器5的线圈圈数无关，为了符合国际标准角度误差δ必须尽可能小，以致于式(1)中的欧姆电阻R只需相对于阻抗ωL选择尽可能小的值。

但变压器5的欧姆电阻R另一要求是R必须至少大到足以使按照国际标准。流经其中的直流电部份不会对变压器5产生不允许的磁偏，因国际标准规定了包含测量电流输入端4上游的变压器5的测量电路装置1必须能承受混合电流中直流电比例≤I_max/π对测量电路装置1的冲击和同时能够在直接连接的电度表中测量交流电部份的能量。

因此，重要的是测量电路装置1的具体配置，其仅仅承受直流电的能力而不用考虑测量电路装置1测量交流电的能力。

关于承受直流电的能力，在变压器5电压降时，可写成下列式：

            (4)    R_SHI_RSH＝RI_R，

式中I_RSH为流过R_SH的直流电部份和I_R为流过变压器5里的R的直流电部份。

等式(4)相当于：

$\left(5\right)I_R=I_{\mathrm{RSH}}\frac{R_{\mathrm{SH}}}{R}$

对于以变压器5中直流电冲击为基础的磁场H₀，可以写成：

$\left(6\right)H_0=I_R\frac{N_1}{I_M},$

式中I_M代表磁路的平均有效长度；所以，以式(5)，由此得出： $\left(7\right)H_0=I_{\mathrm{RSH}}\frac{R_{\mathrm{SH}}}{R}\frac{N_1}{I_M},$ 该式同等于下式

$\left(8\right)R=\frac{I_{\mathrm{RSH}}{R}_{\mathrm{SH}}}{H_0}\frac{N_1}{I_M}.$ 这就得出必然的结论：在经选择的铁芯材料允许的最大磁场强度H₀＝H_0max和在测量分流时最大的电压降I_RSHR_SH的情况下，变压器的欧姆电阻R与圈数N₁成正比。所以，该欧姆电阻R一定大于或等于最少值R_mind，而R_mind由下式给出：

$\left(9\right)R_{\min d}\≥\frac{I_{\mathrm{RSH}}{R}_{\mathrm{SH}}}{H_{0\max }{I}_M}{N}_1$

利用由等式(1)至(3)得出的分压器5的欧姆电阻R的第一条件，即以圈数N₁平方函数尽可能小地选择R以及由等式(9)确定与圈数N₁成正比的最小R值的第二条件，可以获得一较佳的电阻值R。由于这较佳的电阻值R，首先当一合规格的直流电冲击电度表时，变压器5不会被饱和，其次在转换中角度误差可以保持最小。

为了在测量电路配置1中按标准获得高达I_max/π的直流电容限，同时考虑上述的等式，变压器5的铁芯原料用高导磁率材料，例如铁氧体、坡莫合金或纳米晶体材料制造。这些高导磁材料显示了一很高的主要电感校正值A_L和明确的H₀值，令它们特别适用于符合IEC标准的直流电容限的电度表。

如上所述，测量晶片2设有相位补偿的校正器6，该校正器能够提供测量电压的输入端3和测量电流的输入端4之间的相位移。因为本发明测量电路装置1中变压器的上述装置使相位移非常少，因此有可能考虑利用校正器6来补偿相位与频率相关。校正器6的简单实施例提供一可利用软件编程序来达到延时。当然，也有可能设想利用校正器6中的部件来补偿相位，也即利用部件作这样的补偿与频率相关。按照现行标准的要求，电流和电压之间相位移不能超越0.3的角度。

附图中所示为测量电路装置的三相配置，当然，其也可仅为单相建立而不需另外的发明。

标号对照

1  测量电路装置

2  测量晶片

3  测量电压输入端

4  测量电流输入端

5    变压器

6    校正器

R₁  电阻

R₂  电阻

C    电容器

R_SH 测量分流器

Claims (6)

1.直接连接的电度表用的测量电路装置(1)，其具有一测量电压的第一个输入端(3)和一测量电流的第二输入端(4)，其特征在于一变压器(5)位于在测量分流器(R_SH)和所述输入端(4)之间的测量电流的第二输入端(4)上游，起隔离电流的作用。

2.根据权利要求1的测量电路装置(1)，其特征在于变压器(5)相对分流器(R_SH)呈现了一欧姆电阻，一方面，其足以限制任何标准的直流电对变压器(5)的冲击；另一方面，所述欧姆电阻与变压器(5)的电感在一起要小到足以使其呈现不大于标准的角度误差。

3.根据权利要求1或2所述的测量电路装置(1)，其特征在于所述变压器(5)是一种环形铁芯变压器。

4.根据权利要求1到3中任何一项所述的测量电路装置(1)，其特征在于所述变压器(5)铁芯由高导磁性的铁氧体、坡莫合金或纳米晶体材料制作。

5.根据权利要求1到4中任何一项所述的测量电路装置(1)，其特征在于测量晶片(2)与第一和第二输入端(3，4)连接，所述测量晶片(2)装有一可编程序的校正器(6)用来校正测量电压和测量电流之间的相位补偿。

6.根据权利要求5的测量电路装置(1)，其特征在于为匹配测量晶片(2)的第二输入端(4)的电平可利用变压器(5)的绕组圈数比作出调整。

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