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电子式电能表的原理
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,采用乘法器实现对电功率的测量,其工作原理框图如图3-10所示。被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M,乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U,然后再利用电压/频率转换器,U被转换成相应的脉冲频率f,将该频率分频,并通过一段时间内计数器的计数,显示出相应的电能。
图3-10 电子式电能表工作原理框图
一、输入变换电路
电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。输入电路的作用,一方面是将被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中;另一方面是使乘法器和电网隔离,减小干扰。
(一)电流输入变换电路
要测量几安培乃至几十安培的交流电流,必须要将其转变为等效的小信号交流电压(或电流),否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片;经互感器接入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联,以达到前级互感器二次侧不带强电的要求。

以锰铜片作为分流电阻RS,当大电流i(t)流过时会产生相应的成正比的微弱电压 Ui(t),其数学表达式为
Ui(t)=i(t)R
该小信号Ui(t)送入乘法器,作为测量流过电能表的电流i(t)。其原理图如3-11所示。
锰铜分流器和普通电流互感器相比,具有线性好和温度系数小等优点。锰铜分流器A选用F2锰铜片,厚度2mm,取样电阻Rs选175μΩ,则当基本电流为5A时,1、2之间的取样信号Ui=。
图3-11 锰铜分流器测量电器原理图

采用普通互感器(电磁式)的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流回路可以隔离分开,实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电,并可提高电子式电能表的抗干扰能力。其原理框图如图3-12所示。
(α) (b)
图3-12 电流互感器电气原理图
(α)穿线式;(b)接入式
i(t)=KI iT(t)
式中 i(t)——流过电能表主回路的电流;
iT(t)——流过电流互感器二次侧的电流;
KI——电流互感器的变比。
式中 u(t)——送往电能计量装置的电流等效电压;
RL——负载电阻。
(二)电压输入变换电路
和被测电流一样,上百伏(100V或220V)的被测电压也必须经分压器或电压互感器转变为等效的小电压信号,方可送入乘法器。电子式电能表内使用的分压器一般为电阻网络或电压互感器。

采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低,缺点是不能实现电气隔离。
实用中,一般采用多级(如3级)分压,以便提高耐压和方便补偿与调试。典型接线如图3-13所示。
图3-13 典型电阻网络线路图

采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离,并可提高电能表的抗干扰能力,缺点是成本高。其电路图如图3-14所示。
u(t)=KU uU(t)
式中 u(t)——被测电压;
uU(t)——送给乘法器的等效电压。
图3-14 电压互感器电路图
二、乘法器电路
模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号(如输入电能表内连续变化的电压和电流)进行相乘作用的电子电路,通常具有两个输入端和一个输出端,是一个三端网络,如图3-15所示。理想的乘法器的输出特性方程式可表示为
U0(t)=KUX(t)UY(t),
式中 K——是乘法器的增益。
图3-15 乘法器表示方式
从乘法的代数概念出发,乘法器具有四个工作区域,由它的两个输入电压极性来确定。根据两个输入电压的不同极性,乘积输出的极性有四种组合,可以用图3-16平面中的四个象限来具体说明。凡是能够适应两个输入电压极性的四种组合的乘法器,称为四象限乘法器。若一个输入端能够适应正、负两极性电压,而另一个输入端只能适应单一极性电压的乘法器,则称为二象限乘法器。若乘法器在两个输入端分别限定为某一种极性的电压能正常工作,它就是单象限乘法器。
图3-16 模拟乘法器的工作象限图
实现两个输入模拟量相乘的方法有多种多样。乘法器是电子式电能表的核心部分,并非每一种乘法器电路都能适用电子式电能表,下面介绍电子式电能表中常用的乘法器。
(一)时分割乘法器
时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进行调宽调幅的工作过程。它在提供的节拍信号的周期T里,对被测电压信号ux作脉冲调宽式处理,调制出一正负宽度T1、T2之差(时间量)与ux成正比的不等宽方波脉冲,即T2-T1=K1ux;再以此脉冲宽度控制与ux同频的被测电压信号uy的正负极性持续时间,进行调幅处理,使u=K2uy;最后将调宽调幅波经滤波器输出,输出电压U0为每个周