用AD7755設(shè)計(jì)的低成本電能表

概述

本文介紹了用美國Analog Devices Inc.（ADI）公司生產(chǎn)的AD7755設(shè)計(jì)的一種低成本、高精度電能表。本電能表是為單相。兩線制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但也容易適合特殊地區(qū)的設(shè)計(jì)要求，例如美國的配電系統(tǒng)通常要求居民電表采用單相、三線制系統(tǒng)。

采用AD7755設(shè)計(jì)電子式電能表是一種電能測(cè)量的低成本單片解決方案。AD7755內(nèi)部包含兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），一個(gè)基準(zhǔn)電壓源和用來計(jì)算有功功率的全部信號(hào)處理電路。AD7755還包含直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器（即電能記錄器）的數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器（F1、F2）和用于校驗(yàn)和通信的高頻脈沖輸出電路（CF）。

有關(guān)AD7755功能請(qǐng)參考脈沖輸出的電能計(jì)量集成電路活而資料。

表1 精度要求

注：1.表1中示出的規(guī)定精度的電流范圍都用基本電流（Ib）表示。根據(jù)IEC1036（1996-09）標(biāo)準(zhǔn)3.5.1.1節(jié)規(guī)定，Ib是指與一個(gè)直接連接的電表相關(guān)性能一致的電流值。最大電流（Imax）是指保持規(guī)定精度的最大電流。
2.表1中列出的功率因數(shù)（PF）表征了基波（45-65Hz）電壓與電流波形之間的相位關(guān)系。在這種情況下PF簡(jiǎn)單定義為PF=cos（φ）φ，其中表示純正弦電流和電壓之間的相位角。
3.根據(jù)IEC1036（1996-09）標(biāo)準(zhǔn)的3.5.5節(jié)，電表等級(jí)定義為百分比誤差的范圍。百分比誤差定為：百分比誤差=(測(cè)量值-真值)/真值100%

設(shè)計(jì)目的

按照1級(jí)和2級(jí)交流有功功率電能表國際標(biāo)準(zhǔn)IFC1036（1996-09），作為本設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。對(duì)于比較熟悉ANSIC12.6標(biāo)準(zhǔn)的讀者，請(qǐng)見本文最后一節(jié)ANSI C12.16與ICE1036標(biāo)準(zhǔn)比較，本節(jié)只對(duì)與ANSI相對(duì)應(yīng)的IEC10236標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容作一些解釋。

為滿足多種情況下的精度要求，例如功率因數(shù)（PF）等于1時(shí)的精度要求和PF較低（PF=±0.5)時(shí)精度要求，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過基本技術(shù)指標(biāo)。另外電能表的動(dòng)態(tài)范圍也超過500。IEC1036標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在5%Ib-Imax電流范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的精度要求，見表流范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的精度要求，見表1。Imax的典型值是Ib的400%～600%。表1列出了靜態(tài)電能表的精度要求。對(duì)應(yīng)一家精度的電流范圍（動(dòng)態(tài)范圍）都用基本電流（Ib)表示

圖1示了郵用AD7755設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單、低成本電能表工作原理圖。為了給AD7755提供必要的電流電壓轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用分流器，并且為衰減線電壓采用了簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò)。電能記錄器（kWh)是川用兩相步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的簡(jiǎn)單機(jī)電式計(jì)度器。AD7755的F1、F2引腳能夠直接驅(qū)動(dòng)這種計(jì)度器，CF引腳還可提供儀表常數(shù)為3200imp/kWh（脈沖數(shù)/千瓦小時(shí)）的高頻輸出，所以這種高頻輸出可用LED和光電耦合器輸出。這種高頻輸出還可以加快電表的校驗(yàn)過程，從而為生產(chǎn)電表提供本種快捷的校驗(yàn)方法。本設(shè)計(jì)利用電阻網(wǎng)絡(luò)R5-R4改變線電壓的衰減來校驗(yàn)電表。

設(shè)計(jì)原理

AD7755產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)輸入電壓信號(hào)乘積的時(shí)間平均值 成正比。加在AD7755上的輸入電壓值為V1和V2。有關(guān)AD7755的詳細(xì)功能已在AD7755活頁資料中做了介紹，見工作原理一節(jié)。該活頁資料提供了計(jì)算輸出頻率F1和F2（驅(qū)動(dòng)計(jì)度器）的計(jì)算公式，它們與輸入電壓信號(hào)的有效值V1和V2的乘積成正比。為方便起見，這里重新給出公式（1）。為了將電能表校驗(yàn)到一個(gè)固定常數(shù)，用公式（1）對(duì)V2值進(jìn)行標(biāo)定。

F=(8.06×V1×V2×G×F1-4）/VREF2 （1）

其中F為引腳F1，F(xiàn)2輸出的脈沖頻率，F(xiàn)1-4是由主時(shí)鐘獲得分頻，G為增益，VREF為基準(zhǔn)電壓。

圖1示出的電表工作條件，線電壓為220V，最大電流（Imax)為40A。然而，只要正確標(biāo)定通道1和通道2的輸入信號(hào)，就能設(shè)計(jì)出工作于任何線電壓和最大電流的電能表。

AD7755有4種頻率選擇方式適合這類電表（即直接驅(qū)動(dòng)計(jì)度器），Imax高達(dá)120A。當(dāng)這類表的Ib選為5A時(shí)，規(guī)定精度的電流范圍為2%Ib～I(xiàn)max，或動(dòng)態(tài)范圍為400（即100mA～40A)機(jī)電式計(jì)度器的電表常數(shù)為100imp/kWh，即要記錄1kWh的電能要求AD7755發(fā)出100個(gè)脈沖。IEC1036標(biāo)準(zhǔn)4.2.11節(jié)規(guī)定機(jī)電式記錄器從最低位起按十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每位都是逢十進(jìn)一。因此計(jì)度器采用5位整數(shù)1位小數(shù)顯示方式，即最高位的1對(duì)應(yīng)10,000，較低位依次對(duì)應(yīng)1000，100，10，1，最低位對(duì)應(yīng)1/10。供校驗(yàn)和測(cè)試用的儀表常數(shù)選做3200imp/kWh。