南京三能电力仪表有限公司李海林
摘要：对电子式电能表原理进行研究，利用ade7755设计出一款经济型的电子式单相电能表
关键词：电子式电能表采样信号开关电源
o引言
从1986年诞生第一台电子工电能表至今，电子式电能表的历史尚不足2o年，对它的认识以及各项技术的开发、应用正处于方兴未艾的阶段.到2oo3年，我国国内电子式电能表的年产量约为2ooo万只.随着两网改造工作的深入以及“一户一表”制的推广，使得用户电能表数量大增，利用现代技术对用户表计的自动抄表成为市场发展的必然趋势，而在自动抄表中全电子式电能表是最佳选择，其测试精度高、频带宽、过载能力强、功耗小、功能多、在自动抄表中几乎不用考虑数据的准确性.电能表的性能更多的取决于设计，本文从设计的角度对电子式电能表原理进行研究.在下面的设计中选用美国adi的产品ade7755.
1设计要求
设计一款额定电压为11ov，电流为15（1oo）a，频率为6ohz，表常数为16ooimp/kwh，液晶显示的单相电能表.
2利用ade7755设计电能表
2．1构成原理，如图1
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电能表主要由微处理器、液晶驱动芯片、液晶屏、计量芯片ade7755和电源电路组成.ade7755的电压和电流通道皆采用差分输入.电流经分流器将电流转换民电压信号进入vip攻vin.电力线22ov电压信号经分压电阻和滤波器变换为最大差动峰值电压为66omv的电压信号作为v2n的输入.
微处理器通过ade7755的引脚cf采集脉冲，处理后显示.
2.2电能的电流输入
电流输入信号电平可以通过ade7755的g1和go来选择增益.通道1的增益选择如表1：
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要获得最佳的工作状态，在imsub>ax=1ooa的条件下，选择分流器阻值小的可以防止温度过高，温度过高会影响整机的信号.当输入增益为16时，就是保持g1，go为高电平，通过分流器的峰值电压为±3omv.理想的分流器阻值可以计算：imax=1ooa（有效值），则最大值为141.4a.分流器电阻rahut=3omv/141.4a=212uω.故可以选择150uω的分流器。
对于基本电流ib=15a的电能表，基本起动电流为0.5ib=15x0.005=0.075a,这就意味着在150uω分流器上的最小取样电压为0.075x150=11.25ua。如果继续减小分流器的阻值就要提高前置大器的分辨力、漂移、噪声、及抗干扰等方面的指标，从而还涉及到电能表整机的焊接工艺难度（从emc性能角度考虑）。而且选用分流器对防止“u型窃电-短路窃电法”有一定的效果。长im长φ1.75mm铜线的电阻为14.1mω。那么用0.15m长的该铜线做短路线，电阻为2mω。相对与150uω分流器则很大了，则流过电能表电流回路的实际电流也达到9o以上，仅窃电很少部分.
2．3电能的电压输入
电压输入通道2（v2n，v29p）也为差分电路.v2n引脚连接到电阻分压电路的分压点上，v2p接地.v2n输入信号在额定线电压条件下，应该被设置为最大差动峰值电压66omv，理想的分压电路电阻值可以如下计算：
线电压vmains=23ov（有效值），则最大值为vmax=2o.5x23o=325v(峰值)，根据下面的电路，r2=82oω，r1的值可以得出：r1=r2x(vmax－vipmax)/vipmax=82oωx(325v－66omv)/66omv=o.4mω
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2.4电能量与脉冲输出的转换230v（有效值4电能量与脉冲输出的转换
脉冲常数16ooimp/kwh即代表16oo个脉冲1度电，1个脉冲就是1/16oo=o.ooo625度电.每次采样后采得的电能值在ade7755的数值－频率转换器中累加转换，累计器内的电能值与门限值（每个脉冲的等效电能值）比较，如果超过门限值则产生一个脉冲并从输出端输出.每一次产生脉冲后，从电能量累加器存有的电能值减去门限值，剩下的电能值还存在于电能量累加器中.
2.5电能表的频率选择
电能表的频率选择也就相当于脉冲常数的设计选择.在设计电能表时，通道2的标称电压应设在半满度值，以便对仪表常数进行校准.电流通道在最大负载时也不应超过半满度值，这样考虑能允许对过电流信号和峰值因数信号进行累积.表3给出了半满度交流输入时f1和f2的输出频率.表2给出了线电压为22ov情况下，表常数为1ooimp/kwh对应的频率：
表2f1和f2的输出频率(100imp/kwh)
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表3半满度交流输入时f1和f2的输出频率(100imp/kwh)
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从表2中根据imax=1ooa选择一个合适的f1-4频率，首先选择对应的f1和f2的输出频率o.489hz，然后与表3对应最接近的选择o.34hz，于是f1-4为6.8hz.根据表4可以确定cf的最高输出频率.脉冲输出cf主要用于仪表校准与通讯，cf的频率与瞬时有功功率长正比.
1度电1ooowx36oo秒=11ovx15ax2182秒，就是说在额定电压基本电流中工作2182秒就产生1度电，表常数16ooimp/kwh就是说1度电产生16oo脉冲，每个脉冲需要的时间为2182/16oo=1.37秒，则频率为o.73hz，此就是cf的频率.
所以在此设计中可以保持scf，so为低电平，s1为高电平.
表4cf的最高输出频率（1ooimp/kwh）
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2.6电源设计
电涌为电路提供能量，它的设计直接影响着电能表的生命.在考虑成本时也要考虑功能，工作电压为11ov，在保证7o供电即77v也必须能工作.整个电路的总功耗大约在5omw.
2.6.1阻容降压如图1的电源部分
采用cbb电容与大功率电阻串联的方式.当选用电容为1uf时，其容抗xo=－1/（2iifc）≈2654ω
由能提供的电流为i-11o/2654≈41ma.
完全能满足后续电路要求，产品实际测量的视在功率为4va.
2.6.2开关电源，如图2
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图2
采用了tny264电源芯片，这是一个环保电源，功耗低、纹波小、电源早用率高.实测的视在功率仅为1.8va.成本增加了，但是1年能节约大约2o度电.在电源严重缺乏的今天不失为一种很好的选择.
3.小结
本文利用ade7755设计了一款高精度低成本的单相电能表，该表的性能完全满足gb/t17215的国家标准.对于不断完善电子式电能表技术，推动其发展是制造业、应用部门以及技术机构义不容辞的责任.
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