CN205176130U - 一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块，所述模块包括：开关电源单元、三相交流电采集模块和接线端子；开关电源单元和三相交流电采集模块分别连接接线端子并通过接线端子接入三相交流电；本实用新型的开关电源采用主动式功率因数校正技术，大幅度提高终端功率因数，减小无功损耗，提高了电能利用率；电源初级侧电路与次级侧电路之间采用高耐压等级设计，提高了产品的可靠性；电源交采模块在交流电供电或后备电池供电时均可正常工作；使得用户使用灵活性强且更加高效可靠。

Description

一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块

技术领域

本实用新型涉及一种用电信息采集系统，具体讲涉及一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块。

背景技术

用电信息采集终端是智能用电设备中的重要组成部分，根据应用环境的不同可划分为专变采集终端以及集中抄表终端两类。由于用电信息采集终端是构成用电信息采集系统基础性产品，所以研发了种类繁多的终端产品，功能强大，运行稳定，但同时也存在诸多不足和弊端：

目前，一般将用电信息采集系统的电源电路与交采电路分开设计成两个单独的模块，电源电路输入部分与交采电路采集部分电路相连，由于用电信息采集系统的输入电压很高，如是两个模块，就需分别考虑两个模块绝缘性，这不仅造成用电信息采集终端空间上的浪费，故障率也随之升高一倍。

用电信息采集系统电源具有输入电压高，负载范围宽的特点。通常用电信息采集系统使用的是电力线上提供的三线或四线制交流电压，经整流后直流电压高达540V。用电信息采集系统使用多种通讯模块，如通用分组无线业务(GPRS)模块,载波模块等。这些通讯模块特点是通讯时瞬时功率大，为保证这些通讯模块运行可靠，通常将电源输出功率设计为大于10W。普通的用电信息采集系统电源采用单端反激的拓扑结构，为满足输出功率，要求具有15～25uF的整流后的滤波电容容量。

在用电信息采集系统正常工作时，平均功耗只有2～3W。由于滤波电容容量大、输出功率小，输入电压高使得输入电流严重畸变，造成功率因数只有不到0.5，例如集中器设备中，一般有载波模块，模块内的差模电容会增加无功损耗，使得功率因数更低，通常不到0.4。这将造成宝贵的电能资源极大地浪费。

用电信息采集系统通常安装在电线杆高处变压器旁，在雷雨天，极容易受到雷击浪涌影响，在打雷时，在电源输入端会感应出很高的电压，如果用电信息采集系统电源初级侧电路与次级侧的电路隔离耐压不够，势必会造成初次级电路间放电击穿，损坏电路，影响正常计量功能，造成损失。

交采电压采集回路的一次侧回路常使用限流电阻与电压互感器串联的方式，采用的限流电阻数量少，这就使得电阻两端的电压高，容易发热损坏。若想降低功耗只能提高电阻值，这使得采样回路的电流值过小，容易造成相对误差大。传统交采电路与接线端子无法做到紧密的一体化，这给生产安装带来了不便。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块，开关电源采用主动式功率因数校正技术，大幅度提高终端功率因数，减小无功损耗，提高了电能利用率；电源初级侧电路与次级侧电路之间采用高耐压等级设计，提高了产品的可靠性；电源交采模块在交流电供电或后备电池供电时均可正常工作；使得用户使用灵活性强且更加高效可靠。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块，其改进之处在于，所述模块包括：开关电源单元、三相交流电采集模块和接线端子；

所述开关电源单元和所述三相交流电采集模块分别连接所述接线端子；

所述三相交流电采集模块通过本地接口模块接口分别与所述电信息采集模块模组化终端的本地接口模块和所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块连接；

优选的，所述开关电源单元由带有功率因数校正电路的三相滤波整流器组成，其中所述三相滤波整流器的初级电路包括：二极管整流桥、依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、滤波电感L、功率因数校正控制器、开关管Q1、二极管D1、电容C1和串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧；所述三相滤波整流器的次级电路包括：高隔离变压器的次级侧、二极管D2、电容C2。

进一步的，所述二极管整流桥依次与所述依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、所述开关管Q1、所述电容C1、所述串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧并联，所述电阻R1与所述二极管整流桥的连接点与所述滤波电感L的一端连接，所述滤波电感L的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述开关管Q1，所述电阻R3和所述电阻R4的连接点与所述功率因数校正控制器的一端连接，所述功率因数校正控制器的另一端连接所述开关管Q1，所述开关管Q1与所述滤波电感L的连接点与所述二极管D1的一端连接，所述二极管D1的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述电容C1；所述高隔离变压器的次级侧经所述二极管D2与所述电容C2并联。

进一步的，所述二极管整流桥具有4个桥臂，即第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂。

进一步的，所述功率因数校正控制器的开关频率为250kHz。

进一步的，所述高隔离变压器包括：变压器骨架、初级侧和次级侧；其中所述初级侧包括：初级绕组和辅助绕组，所述次级侧包括：次级绕组；所所述辅助绕组与所述初级绕组之间设置一层绝缘胶带，所述初级绕组与所述次级绕组之间设置三层绝缘胶带；所述次级绕组通过三重绝缘漆包线绕制，外侧设置两层绝缘胶带；所述初级绕组、辅助绕组和所述次级绕组的两端分别增加5mm挡墙，每层所述绝缘胶带能够耐高压3kv。

优选的，所述三相交流电采集模块包括：交采互感器、计量芯片、MCU、本地接口模块接口单元、本地通信模块接口单元和处理显示模块接口单元；所述交采互感器与所述计量芯片和所述MCU依次连接；所述计量芯片与所述本地接口模块接口单元连接；所述MCU与所述处理显示模块接口单元连接。

进一步的，所述交采互感器由三相电流互感器和精密电阻组成，每7个精密电阻与所述交采互感器的一次侧回路串联，组成采样回路；所述交采互感器的二次侧回路与所述计量芯片连接。

进一步的，所述本地接口模块接口单元包括：正向有功脉冲接口、正向无功脉冲接口和接地接口。

进一步的，所述本地通信模块接口单元分别与接线端子和电信息采集模块模组化终端的本地通信模块连接。

进一步的，所述处理显示模块接口单元包括：电源VDD接口、地GND接口、接收RXD接口和发送TXD接口。

与最接近的现有技术比，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：

1)本实用新型提供的技术方案，将电源电路与三相交流电采集电路合并为一个模块，减小了用电信息采集终端的体积，优化了生产，提高了可靠性；

2)开关电源使用了三相功率因数校正电路，三相电经整流电路之后，引入三相功率因数校正器；采样三相整流后的输入电压波形，通过开关管控制输入电流波形的方式，同时功率因数校正控制器开关频率为250kHz,远远高于输入频率50Hz，提高用电信息采集系统的功率因数，使得三相交流输出功率2～3W时功率因数高于0.8，减小无功损耗，提高了电能利用率；

3)使用高隔离度变压器，该变压器包含三个绕组，每层绕组两边都使用了5mm挡墙，使得绕组间爬电距离大于10mm，从而的保证了耐压高于8kv的标准；

4)当没有外部电流接入时，电源交采模块能够通过MCU及接口的控制，将用电信息采集系统模组化终端后备电池的直流电引入其本身，为其提供工作电流；

5)现有技术中，采样电路所采用的电阻数量少，为了不让电阻烧毁只能提高电阻阻值，这会让互感器一次侧采样回路电流过小，相对误差大，而本实用新型提供的互感器采用串联多个精密电阻，适当调整阻值可使采样电流保持在合理范围且有效地降低了每个电阻上的电压值，不至于让每个电阻达到太大的功率，发热甚至烧毁，并且一次侧回路可以承受更高的电压使回路更加可靠；

6)接线端子与模块一体化设计，方便生产、调试、安装。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的系统连接图；

图2是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的接线端子实物图；

图3是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的开关电源电路连接图；

图4是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的变压器剖面图；

图5是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的交采互感器电路连接图；

图6是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的本地接口模块接口单元结构示意图；

图7是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的本地通信模块接口单元结构示意图；

图8是本实用新型提供的一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块的处理显示模块接口单元结构示意图；

其中，1、正向有功脉冲接口，2、正向无功脉冲接口，3和4、接地接口，25、电源VDD接口，26、地GND接口，27、接收RXD接口，28、发送TXD接口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实用新型提供一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块，将电源电路与三相交流电采集电路合并为一个模块，减小了用电信息采集终端的体积，并对模块进行了优化；开关电源采用主动式功率因数校正技术，大幅度提高终端功率因数，减小无功损耗，提高了电能利用率；电源初级侧电路与次级侧电路之间采用高耐压等级设计，提高了产品的可靠性；电源交采模块在交流电供电或后备电池供电时均可正常工作；使得用户使用灵活性强且更加高效可靠。

如图1所示，所述模块包括：开关电源单元、三相交流电采集模块和接线端子；

所述开关电源单元和所述三相交流电采集模块分别连接所述接线端子并通过所述接线端子接入三相交流电；

所述开关电源单元用于将三相交流电转换为直流电，并将所述直流电输出至所述三相交流电采集模块为所述三相交流电采集模块供电；

所述三相交流电采集模块用于采集和处理所述三相交流电，通过本地接口模块接口将采集得到的正向有功脉冲和正向无功脉冲输出至所述电信息采集模块模组化终端的本地接口模块；

所述三相交流电采集模块还用于将接收的所述直流电输出至所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块为所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块供电。

当所述接线端子输出的三相交流电达到220V时，所述开关电源将所述外部三相交流电压转换为直流电压，为所述电源交采模块供电，并通过所述三相交流电采集模块将所述直流电压输入至所述用电信息采集系统模组化终端的处理显示模块为所述用电信息采集系统模组化终端的处理显示模块供电；当所述接线端子输出的三相交流电小于220V时，通过所述用电信息采集系统模组化终端的处理显示模块的备用电池为所述用电信息采集系统模组化终端的处理显示模块供电，并通过所述三相交流电采集模块将所述直流电压输入至所述电源交采模块，为所述电源交采模块供电。

其中，所述接线端子如图2所示，采用与壳体一体化的设计，与以往的终端不同；接线端子并不是位于整个终端壳体之上，因此不需要通过线缆将接线端子连接到电源交采模块中，本实用新型将接线端子融入模块中，成为模块的组成部分，因此脱离了模组化终端而单独进行工作，从而可以单独对其进行校表等操作，方便于生产、调试、安装。

具体的，所述开关电源单元的电路连接关系，如图3所示，由带有功率因数校正电路的三相滤波整流器组成，其中所述三相滤波整流器的初级电路包括：二极管整流桥、依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、滤波电感L、功率因数校正控制器、开关管Q1、二极管D1、电容C1和串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧；所述三相滤波整流器的次级电路包括：高隔离变压器的次级侧、二极管D2、电容C2。

所述二极管整流桥具有4个桥臂，即第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，用于将三相交流电转换为直流电。

所述二极管整流桥依次与所述依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、所述开关管Q1、所述电容C1、所述串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧并联，所述电阻R1与所述二极管整流桥的连接点与所述滤波电感L的一端连接，所述滤波电感L的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述开关管Q1，所述电阻R3和所述电阻R4的连接点与所述功率因数校正控制器的一端连接，所述功率因数校正控制器的另一端连接所述开关管Q1，所述开关管Q1与所述滤波电感L的连接点与所述二极管D1的一端连接，所述二极管D1的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述电容C1；所述高隔离变压器的次级侧经所述二极管D2与所述电容C2并联。

所述控制电路包括：开关管和控制反激电源控制管理芯片；所述电源控制管理芯片根据输出电压反馈的信号控制所述开关管导通与关断，将直流电压斩波为含直流成分的交流信号。该交流信号通过变压器，通过变压器匝比降至输出电压值，后经次级整流滤波电路输出直流波形，实现反激控制。

本实用新型提供的开关电源模块引入功率因数校正器，采样三相整流后的输入电压波形，通过开关管控制输入电流波形的方式，同时功率因数校正控制器开关频率为250kHz,远远高于输入频率50Hz，提高用电信息采集系统的功率因数，使得三相交流输出功率2～3W时功率因数高于0.8，减小无功损耗，提高了电能利用率；

具体为，功率因数校正控制器控制所述开关管Q1导通和关断，当所述开关管Q1导通时，所述电感L上的电流波形会线性上升，直至与所述三相交流电的电压波形一致时关断所述开关管Q1。

其中，功率因数指的是有效功率与视在功率之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值，即：

在电工原理中，线性电路的功率因数(PF)习惯定义为cosφ，φ是正弦电压和正弦电流间的相角差即输入电压波形与输入电流波形间的相角差；所以设法减小输入电压与输入电流之间的相位差就可以提高功率因数。

所述高隔离变压器如图4所示，包括：变压器骨架1、初级侧和次级侧；其中所述初级侧包括：初级绕组5和辅助绕组6，所述次级侧包括：次级绕组3；所述变压器骨架1内侧先绕制所述辅助绕组6，绕制完成后裹一层绝缘胶带4，再绕制所述初级绕组5，绕制完成后裹三层绝缘胶带4，然后使用三重绝缘漆包线绕制所述次级绕组3，绕制完成后裹两层绝缘胶带4；所述初级绕组5、辅助绕组6和所述次级绕组3的两端分别增加5mm挡墙2，每层所述绝缘胶带能够耐高压3kv，每层绕组两边都使用了5mm挡墙2，使得绕组间爬电距离大于10mm，从而的保证了耐压高于8kv的标准。

如图1所示，所述三相交流电采集模块用于采集和处理所述三相交流电，通过本地接口模块接口将采集得到的正向有功脉冲和正向无功脉冲输出至所述电信息采集模块模组化终端的本地接口模块；

所述三相交流电采集模块还用于将接收的所述直流电输出至所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块为所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块供电。

其中，所述三相交流电采集模块包括：交采互感器、计量芯片、MCU、本地接口模块接口单元、本地通信模块接口单元和处理显示模块接口单元；所述交采互感器与所述计量芯片和所述MCU依次连接；所述计量芯片与所述本地接口模块接口单元连接；所述MCU与所述处理显示模块接口单元连接。

具体的，所述交采互感器如图5所示，由三相电流互感器和精密电阻组成，通过每7个精密电阻与所述交采互感器的一次侧回路串联，组成采样回路，适当调整阻值可使采样电流保持在合理范围且有效地降低了每个电阻上的电压值，不至于让每个电阻达到太大的功率，发热甚至烧毁，并且一次侧回路可以承受更高的电压使回路更加可靠；所述交采互感器的二次侧回路将转换后的电流输出至所述计量芯片，供所述计量芯片采样。

所述计量芯片用于采集所述交采互感器转换后的电流的正向有功脉冲和正向无功脉冲，并通过所述本地接口模块接口单元输出至所述用电信息采集系统模组化终端的本地接口模块。

所述本地接口模块接口单元如图6所示，包括：正向有功脉冲接口1、正向无功脉冲接口2和接地接口3、4。

所述本地通信模块接口单元如图7所示，与所述接线端子连接，并接入三相交流电，所述本地通信模块接口单元还用于连接所述电信息采集模块模组化终端的本地通信模块，并将所述三相交流电输出至所述电信息采集模块模组化终端的本地通信模块。

所述MCU用于控制所述计量芯片的下发数据和召测数据，同时通过所述处理显示模块接口单元控制所述用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块和所述用电信息采集系统模组化终端的处理显示模块之间的数据交互。

所述处理显示模块接口单元如图8所示，包括：电源VDD接口、地GND接口、接收RXD接口和发送TXD接口。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用电信息采集系统模组化终端的电源交采模块，其特征在于，所述模块包括：开关电源单元、三相交流电采集模块和接线端子；

所述开关电源单元和所述三相交流电采集模块分别连接所述接线端子；

所述三相交流电采集模块通过本地接口模块接口分别与所述电信息采集模块模组化终端的本地接口模块和所述电信息采集模块模组化终端的处理显示模块连接。

2.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述开关电源单元由带有功率因数校正电路的三相滤波整流器组成，其中所述三相滤波整流器的初级电路包括：二极管整流桥、依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、滤波电感L、功率因数校正控制器、开关管Q1、二极管D1、电容C1和串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧；所述三相滤波整流器的次级电路包括：高隔离变压器的次级侧、二极管D2、电容C2。

3.如权利要求2所述的模块，其特征在于，所述二极管整流桥依次与所述依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、所述开关管Q1、所述电容C1、所述串联的控制电路和高隔离变压器的初级侧并联，所述电阻R1与所述二极管整流桥的连接点与所述滤波电感L的一端连接，所述滤波电感L的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述开关管Q1，所述电阻R3和所述电阻R4的连接点与所述功率因数校正控制器的一端连接，所述功率因数校正控制器的另一端连接所述开关管Q1，所述开关管Q1与所述滤波电感L的连接点与所述二极管D1的一端连接，所述二极管D1的另一端连接与所述二极管整流桥并联的所述电容C1；所述高隔离变压器的次级侧经所述二极管D2与所述电容C2并联。

4.如权利要求2所述的模块，其特征在于，所述二极管整流桥具有4个桥臂，即第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂。

5.如权利要求2所述的模块，其特征在于，所述功率因数校正控制器的开关频率为250kHz。

6.如权利要求2所述的模块，其特征在于，所述高隔离变压器包括：变压器骨架、初级侧和次级侧；其中所述初级侧包括：初级绕组和辅助绕组，所述次级侧包括：次级绕组；所述辅助绕组与所述初级绕组之间设置一层绝缘胶带，所述初级绕组与所述次级绕组之间设置三层绝缘胶带；所述次级绕组通过三重绝缘漆包线绕制，外侧设置两层绝缘胶带；所述初级绕组、辅助绕组和所述次级绕组的两端分别增加5mm挡墙，每层所述绝缘胶带能够耐高压3kv。

7.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述三相交流电采集模块包括：交采互感器、计量芯片、MCU、本地接口模块接口单元、本地通信模块接口单元和处理显示模块接口单元；所述交采互感器与所述计量芯片和所述MCU依次连接；所述计量芯片与所述本地接口模块接口单元连接；所述MCU与所述处理显示模块接口单元连接。

8.如权利要求7所述的模块，其特征在于，所述交采互感器由三相电流互感器和精密电阻组成，每7个精密电阻与所述交采互感器的一次侧回路串联，组成采样回路；所述交采互感器的二次侧回路与所述计量芯片连接。

9.如权利要求7所述的模块，其特征在于，所述本地接口模块接口单元包括：正向有功脉冲接口、正向无功脉冲接口和接地接口。

10.如权利要求7所述的模块，其特征在于，所述本地通信模块接口单元分别与接线端子和电信息采集模块模组化终端的本地通信模块连接。

11.如权利要求7所述的模块，其特征在于，所述处理显示模块接口单元包括：电源VDD接口、地GND接口、接收RXD接口和发送TXD接口。