CN2125147U - 静止式电能表 - Google Patents

Abstract

一种静止式电能表，其主要由电压变换与相位补 偿电路(A)、电流变换电路(B)、时分割模拟乘法器 (C)、高精度电压/频率变换器(D)、分频/计数器(E) 和直流电源(F)组成，在时分割模拟乘法器(C)中，采 用无源积分器作为调宽电路的三角波形成电路，电路 无需调零，设置有对产生的三角波整形的整形电路。 由于其电路中无可动元件，大大提高了电路的可靠性 和稳定性，同时可全部采用国产元件，集成度高，成本 低，测量精度高。

Description

本实用新型属于安装于电网内，用于测量单、三相供用电电网中消耗电能量的静止式电能表。

目前同类发明——专利申请号88201155.3《一种电子电度表》是根据功率等于电压与电流的乘积这一原理来实现对功率（或电能量）的测量的。它由乘法器、模数转换器、计数器和电源等部分组成。其乘法器是通过被测电压〔U〕直接控制模拟开关〔BG5、BG6〕，对被测电流〔I〕进行全波整流来实现两被测量〔U〕和〔I〕瞬时值相乘的。从电路结构看，被测电压〔U〕经电阻〔R₂〕降压后直接加在模拟开关〔BG5、BG6〕的控制端（栅极），这个电压（控制信号）的幅度、频率都是不稳定的，这就导致了模拟开关〔BG5、BG6〕工作的不稳定性，使乘法器的精度降低；此外，当被测电压〔U〕较小时（达不到BG5、BG6的开启电压），可能使乘法器无法工作，从而使电度表丧失测量能力。

本实用新型的目的在于提供一种在宽负载（U：0～450V；I：0～25A）范围内，不同功率因数条件下，高精度（1－0.5级）不间断地测量电能，且自身功耗小、成本低、便于推广应用的静止式电能表，特别是可以作为替代目前国内普遍生产和使用的感应式电能表的新一代电能测量仪器。

本实用新型由电压变换与相位补偿电路〔A〕、电流变换电路〔B〕、时分割模拟乘法器〔C〕、高精度电压／频率变换器〔D〕、分频／计数器〔E〕和直流电源〔F〕组成；被测电压〔U〕经电压变换与相位补偿电路〔A〕变换为适合乘法器〔C〕输入的电平信号〔U₁〕，被测电流〔I〕经电流变换电路〔B〕变换为满足乘法器〔C〕输入要求的电平信号〔U₂〕，经变换后的电平信号〔U₁〕、〔U₂〕分别送至乘法器〔C〕的二个输入端进行相乘，相乘后的信号（即乘法器的输出信号）为一与输入电压〔U〕和输入电流〔I〕之乘积（即输入功率P＝U·I）成比例的电压信号〔Uo〕。这个电压信号〔Uo〕经电压／频率变换器〔D〕变换为与之相对应的数字化量——频率信号〔Fo〕，此频率信号〔Fo〕经分频后，由计数器（计度器）显示出被测电能的数值，从而完成对电能量的测量。

本实用新型主要技术特征为：主要由电压变换与相位补偿电路〔A〕、电流变换电路〔B〕、时分割模拟乘法器〔C〕、高精度电压／频率变换器〔D〕、分频／计数器〔E〕和直流电源〔F〕组成，其特征是在时分割模拟乘法器〔C〕中，采用无源积分器作为调宽电路的三角波形成电路，电路无需调零，无源积分器由正恒流源〔T₄〕、负恒流源〔A₁〕、积分电容器〔C₄〕及模拟开开关〔T₂〕〔T₃〕组成，其中：正恒流源由晶体管〔T₄〕、电阻〔R₂〕、〔R₃〕、电容〔C₃〕、稳压二极管DW₂组成，负恒流源由运算放大器〔A₁〕、场效应晶体管〔T₁〕、电阻〔R₄〕、〔R₅〕、稳压二极管DW₁组成，设置有用以将无源积分器产生的三角波整形为上升沿和下降沿均非常陡直的矩形波的整形电路，该整形电路主要由CMOS施密特触发器〔F₁〕、〔F₂〕组成。所设置的对低通滤波器输出的电压平均值〔Uo〕进行电压／频率变换的电压／频率变换器由积分器〔A₃〕、比较器〔A₄〕和复位电路组成，复位电路由定时电路〔D₁、D₂、F₃、F₄、F₅〕、恒流源〔A₂、T₉〕和复位开关〔T₁₀〕〔T₁₁〕组成。

本实用新型由于采用了无需调零的时分割乘法器和不受失调与零漂的影响的电压／频率变换器，电路中无可动元件，大大提高了电路的可靠性和稳定性。同时，全部采用国产器件，也可用国外同类器件替代、集成度高、成本低、测量精度高（1－0.5级）、自身功耗小（三相静态功耗不大于0.3W、三相动态功耗不大于0.8W），便于安装调试和维修，实用性强，利于推广，是理想的换代型电能测量装置。

本实用新型实施例给出三个附图：

附图1是本实用新型的原理方框图。

附图2是本实用新型测量线路原理图。

附图3是本实用新型电源电路图。

下面结合附图给出的实施例详细叙述本实用新型的电路结构、工作方式：

如附图1所示，本实用新型由电压变换与相位补偿电路〔A〕、电流变换电路〔B〕、电流平衡型时分割模拟乘法器〔C〕、电荷平衡型高精度电压／频率变换器〔D〕、分频／计数器（计度器）〔E〕和直流电源〔F〕组成。

如附图2所示，电阻器〔R₁〕、电位器〔RW₁〕、电容器〔C₁〕、〔C₃〕、〔C₄〕和〔C₅〕组成电压变换与相位补偿电路〔A〕，其作用是将被测电压〔U〕变换为满足乘法器〔C〕输入要求的低压信号〔U₁〕以及对被测电压〔V〕和被测电流〔I〕之间的相位加以补偿，以适应电网不同功率因数的需要。电位器〔RW₁〕是满负荷调整装置，电容器〔C₁〕、〔C₃〕作相位补偿，电容器〔C₃〕同时作相位补偿微调〔功率因数调整装置〕。电容器〔C₄〕的作用有二个：一是承受变换后的被测电压〔U₁〕，二是作乘法器的积分电容。电容器〔C₅〕起隔离作用，即把电源零线与测量线路的地线隔离。电流变换电路〔B〕实质是一个电流互感器〔CT〕，其作用是将被测电流〔I〕变换为适应乘法器输入要求的电平信号〔U₂〕，电流互感器〔CT〕初、次级之匝比为1：3000。也就是说，当被测电流〔I〕经电流互感器〔CT〕后，将减小3000倍。电流平衡型时分割模拟乘法器〔C〕由脉冲宽度调整电路和电子开关两部分组成。为克服有源积分器中运算放大器失调电压对调宽电路的影响，采用无源积分器作为调宽电路的三角波形成电路，电路无需调零。无源积分器由正恒流源〔T₄〕，负恒流源〔A₁〕和积分电容器〔C₄〕以及模拟开关〔T₂〕、〔T₃〕组成，其中：正恒流源由晶体管T₄、电阻R₂、R₃、电容C₃、稳压二极管DW₂组成，负恒流源由运算放大器〔A₁〕、场效应晶体管〔T₁〕、电阻〔R₄〕、〔R₅〕、稳压二极管DW₁组成，正、负恒流电源的基准电压分别由带温补偿的精密稳压二极管〔DW₂〕与精密电阻器〔R₂〕、〔DW₁〕与〔R₄〕组成的稳压电路稳定，减小了温度变化对恒流源产生的影响。正、负恒流源分别向积分电容器〔C₄〕提供恒定的充、放电电流。电容器〔C₄〕的充、放电过程由模拟开关〔T₂〕、〔T₃〕控制。当〔T₂〕接通〔T₃〕断开时，电容器〔C₄〕通过负恒流源〔A₁〕、〔T₁〕放电；当〔T₂〕断开〔T₃〕接通时，电容器〔C₄〕通过正恒流源〔T₄〕充电。这样，在积分电容器〔C₄〕两端就得到一个稳定的三角波。无源积分器排除了运算放大器的影响，不存在寄生振荡，且无任何尖峰，故其产生的三角波线性度极高、频率相当稳定。整形电路由CMOS施密特触发器〔F₁〕、〔F₂〕组成，CMOS施密特触发器〔F₁〕、〔F₂〕具有特别高的输入阻抗和良好的翻转特性，高输入阻抗使整形电路接入后不影响无源积分器的性能，良好的翻转特性能将无源积分器产生的三角波整形成为上升沿和下降沿均非常陡直的矩形波。整形电路输出的矩形脉冲的宽度，受被测电压〔U〕的调制，此矩形波用于控制模拟开关〔T₂〕与〔T₃〕、电子开关〔T₅〕、〔T₆〕、〔T₇〕和〔T₈〕的接通与关断。乘法器〔C〕的电子开关由四只场效应晶体管〔T₅〕、〔T₆〕、〔T₇〕和〔T₈〕组成，开关采用串——并联接方式，增强了电子开关工作的可靠性和稳定性。当被测电压〔U〕、被测电流〔I〕分别加在乘法器〔C〕的两个输入端〔U₁〕和〔U₂〕时，被测电压〔U〕就对无源积分器产生的三角波的宽度进行调制，亦即对整形电路输出的矩形脉冲的宽度进行调制。整形电路就输出宽度被被测电压〔U〕调制了的调宽脉冲，这个调宽脉冲控制电子开关的接通和关断，对被测电流〔I〕进行斩波，从而完成被测电压〔U〕与被测电流〔I〕的瞬时值相乘。乘法器〔C〕的输出端接一由电阻器〔R₆〕和电容器〔C₆〕与〔C₇〕组成的兀型低通滤波器，其作用是滤除乘法器〔C〕输出电压信号的高次谐波，并将其平均值〔Uo〕送至电压／频率变换器进行电压／频率变换。本实施例电压／频率变换器〔D〕是根据电荷平衡原理设计的电荷平衡型高精度电压／频率变换器，由积分器〔A₃〕、比较器〔A₄〕和复位电路组成。积分器由高精度集成运放〔A₃〕、积分电阻器〔R₈〕和积分电容器〔C₈〕组成；比较器〔A₄〕为专用集成比较器、二极管〔D₁〕〔D₂〕作输入保护，电阻器〔R₉〕、〔R₁₀〕为限流电阻。为了提高电压／频率变换器〔D〕的变换精度和扩大其动态范围，复位电路采用了无漂移、无失调影响的数字线性复位电路，复位电流由高稳定度的恒流源〔A₂〕、〔T₉〕提供、复位时间由高精度晶振精确控制。复位电路由定时电路〔D₁、D₂、F₃、F₄、F₅〕、恒流源〔A₂、T₉〕和模拟开关（复位开关）〔T₁₀〕、〔T₁₁〕组成，D型触发器〔D₁〕、〔D₂〕与定时脉冲电路〔F₃〕、〔F₄〕、〔F₅〕组成的定时电路可精确地控制复位时间，恒流源由运放〔A₂〕、电阻器〔R₇〕和场效应晶体管〔T₉〕组成，调整〔R₇〕可改变复位电流的大小。复位开关〔T₁₀〕、〔T₁₁〕的接通与关断，由定时电路控制，复位电路的工作状态由比较器〔A₄〕控制。当电压信号〔Uo〕加到电压／频率变换器D的输入端时，积分器〔A₃〕就对其积分，当积分器〔A₃〕的输出电压下降到比较器〔A₄〕的门限电位时，比较器〔A₄〕的输出从低电位变为高电位，复位开关〔T₁₀〕接通、〔T₁₁〕关断，电路进行复位。若复位开关〔T₁₀〕关断、〔T₁₁〕接通，积分器〔A₃〕就对输入信号〔Uo〕进行积分，这样，周而复始地进行下去，就完成了由模拟电压信号〔Uo〕到数字化量信号（频率信号）〔Fo〕的变换。变换后的数字化量信号〔Fo〕由触发器〔D₂〕的Q输出端经施密特触发器〔F₆〕整形后输出。此频率〔Fo〕被送至分频／计度器进行分频计数，被测电能值由计度器记录并保持下来。

本实施例分频器采用单片二进制十四级集成分频器，计度器采用感应式电能表上使用的标准六位机械式计度器。如附图3所示，直流电源采用电容降压、半波整流、三端稳压电路，由降压电容〔C_D1〕、〔C_D2〕、隔离电容〔C_D〕、整流管〔C_D1〕、〔C_D2〕、滤波电容〔C_D3〕～〔C_D12〕、稳压器〔W₁〕～〔W₄〕组成。

本实用新型按如下工作方式实现对电能量的测量：

被测电压〔U〕经电压变换与相位补偿电路〔A〕送至乘法器〔C〕的电压输入端〔U₁〕，被测电流〔I〕经电流变换电路〔B〕送至乘法器〔C〕的电流输入端〔U₂〕。被测电压〔U〕对乘法器〔C〕的脉冲宽度调制电路所产生的脉冲的宽度进行调制，这个脉冲宽度被被测电压〔U〕调制了的调宽脉冲，去控制电子模拟开关〔T₅〕、〔T₆〕、〔T₇〕和〔T₈〕的接通和关断，对被测电流〔I〕进行斩波，从而完成两被测量〔U〕和〔I〕的瞬时值相乘。乘法器〔C〕输出端接一低通滤波器〔R₆、C₇、C₈〕，滤除乘法器〔C〕输出电压信号中的高次谐波，在滤波器输出端就得一个与被测功率〔P＝U·I〕成正比的平均电压信号〔Uo〕。这个电压量信号〔Uo〕被送至电压／频率变换器〔D〕的输入端进行模／数变换。当电压／频率变换器〔D〕的输入端加上电压〔Uo〕时，积分器〔A₃〕负向积分。当积分器〔A₃〕的输出电压下降到比较器〔A₄〕的门限电平时，比较器〔A₄〕的输出端由低电平变成高电平，定时电路中D触发器〔D₂〕的Q输出端变为低电平，Q输出端变为高电平；这时，触发器〔D₁〕的D输入端为低电平。在CP脉冲的作用下，使得其Q输出端变为低电平，Q输出端变为高电平，模拟开关〔复位开关〕〔T₁₀〕被接通，〔T₁₁〕被关断，电路进行复位。复位电流为恒流源〔A₂、T₉〕提供的恒定电流（20mA），复位时间为定时脉冲的周期（5μS）。一旦复位开始，积分电容器〔C₈〕上的电荷将迅速泄放，积分器〔A₃〕输入端电平迅速下降，迫使其输出端由低电平变为高电平，比较器〔A₄〕的输出端由高电平变为低电平；触发器〔D₂〕的Q输出端由低电平变为高电平， D输出端变为低电平，输出一个矩形脉冲。触发器〔D₁〕的D输入端变为高电平，在CP的作用下，其Q输出端变为高电平， D输出端变为低电平，复位开关〔T₁₀〕被关断，〔T₁₁〕被接通，积分器〔A₃〕对输入电压〔Uo〕进行下一个周期的积分。这样周而复始地进行下去，就把模拟电压信号〔Uo〕变换成了数字化量的频率信号〔Fo〕。频率信号〔Fo〕从触发器〔D₂〕的 D输出端经CMOS施密特触发器〔F₆〕整形后输出，并送至分频／计度器〔E〕进行分频计数，计度器记录被测量的电能量值（KW·h）。至此，实现了对电能量的测量。

Claims (2)

1、一种静止式电能表，主要由电压变换与相位补偿电路[A]、电流变换电路[B]、时分割模拟乘法器[C]、高精度电压/频率变换器[D]、分频/计数器[E]和直流电源[F]组成，其特征在于：在时分割模拟乘法器[C]中，采用无源积分器作为调宽电路的三角波形成电路，电路无需调零，无源积分器由正恒流源[T₄]、负恒流源[A₁]、积分电容器[C₄]及模拟开关[T₂][T₃]组成，其中：正恒流源由晶体管[T₄]、电阻[R₂]、[R₃]、电容[C₃]、稳压二极管DW₂组成，负恒流源由运算放大器[A₁]、场效应晶体管[T₁]、电阻[R₄]、[R₅]、稳压二极管DW₁组成，设置有用以将无源积分器产生的三角波整形为上升沿和下降沿均非常陡直的矩形波的整形电路，该整形电路主要由CMOS施密特触发器[F₁][F₂]组成。

2、根据权利要求1所述的静止式电度表，其特征在于：所设置的对低通滤波器输出的电压平均值〔Uo〕进行电压／频率变换的电压／频率变换器由积分器〔A₃〕、比较器〔A₄〕和复位电路组成，复位电路由定时电路〔D₁、D₂、F₃、F₄、F₅〕、恒流源〔A₂、T₉〕和复位开关〔T₁₀〕〔T₁₁〕组成。

Images