用AD7755设计的低成本电能表

2006-05-07 15:49:50来源: 电子产品世界

概述

本文介绍了用美国Analog Devices Inc.(ADI)公司生产的AD7755设计的一种低成本、高精度电能表。本电能表是为单相。两线制系统设计的,但也容易适合特殊地区的设计要求,例如美国的配电系统通常要求居民电表采用单相、三线制系统。

采用AD7755设计电子式电能表是一种电能测量的低成本单片解决方案。AD7755内部包含两路模数转换器(ADC),一个基准电压源和用来计算有功功率的全部信号处理电路。AD7755还包含直接驱动机电式计度器(即电能记录器)的数字频率转换器(F1、F2)和用于校验和通信的高频脉冲输出电路(CF)。

有关AD7755功能请参考脉冲输出的电能计量集成电路活而资料。

表1 精度要求

电流值1 PF2 百分比误差范围3
1级 2级
0.05Ib≤I<0.1Ib 1 ±1.5% ±2.5%
0.1Ib≤I<Imax 1 ±1.0% ±2.0%
0.1Ib≤I<0.2Ib 0.5滞后
0.5超前
±1.5%
±1.5%
±2.5%
-
0.2Ib≤I<Imax 0.5滞后
0.8超前
±1.0%
±1.0%
±2.0%
-

注:1.表1中示出的规定精度的电流范围都用基本电流(Ib)表示。根据IEC1036(1996-09)标准3.5.1.1节规定,Ib是指与一个直接连接的电表相关性能一致的电流值。最大电流(Imax)是指保持规定精度的最大电流。
    2.表1中列出的功率因数(PF)表征了基波(45-65Hz)电压与电流波形之间的相位关系。在这种情况下PF简单定义为PF=cos(φ)φ,其中表示纯正弦电流和电压之间的相位角。
    3.根据IEC1036(1996-09)标准的3.5.5节,电表等级定义为百分比误差的范围。百分比误差定为:百分比误差=(测量值-真值)/真值100%

设计目的

按照1级和2级交流有功功率电能表国际标准IFC1036(1996-09),作为本设计的主要依据。对于比较熟悉ANSIC12.6标准的读者,请见本文最后一节"ANSI C12.16与ICE1036标准比较",本节只对与ANSI相对应的IEC10236标准的主要内容作一些解释。

为满足多种情况下的精度要求,例如功率因数(PF)等于1时的精度要求和PF较低(PF=±0.5)时精度要求,设计技术指标应该远远高过基本技术指标。另外电能表的动态范围也超过500。IEC1036标准规定在5%Ib-Imax电流范围内达到规定的精度要求,见表流范围内达到规定的精度要求,见表1。Imax的典型值是Ib的400%~600%。表1列出了静态电能表的精度要求。对应一家精度的电流范围(动态范围)都用基本电流(Ib)表示

图1示了邮用AD7755设计的一种简单、低成本电能表工作原理图。为了给AD7755提供必要的电流电压转换,本设计采用分流器,并且为衰减线电压采用了简单的分压网络。电能记录器(kWh)是川用两相步进电机构成的简单机电式计度器。AD7755的F1、F2引脚能够直接驱动这种计度器,CF引脚还可提供仪表常数为3200imp/kWh(脉冲数/千瓦小时)的高频输出,所以这种高频输出可用LED和光电耦合器输出。这种高频输出还可以加快电表的校验过程,从而为生产电表提供本种快捷的校验方法。本设计利用电阻网络R5-R4改变线电压的衰减来校验电表。

设计原理

AD7755产生的输出频率与两个输入电压信号乘积的时间平均值 成正比。加在AD7755上的输入电压值为V1和V2。有关AD7755的详细功能已在AD7755活页资料中做了介绍,见"工作原理"一节。该活页资料提供了计算输出频率F1和F2(驱动计度器)的计算公式,它们与输入电压信号的有效值V1和V2的乘积成正比。为方便起见,这里重新给出公式(1)。为了将电能表校验到一个固定常数,用公式(1)对V2值进行标定。

F=(8.06×V1×V2×G×F1-4)/VREF2    (1)

其中F为引脚F1,F2输出的脉冲频率,F1-4是由主时钟获得分频,G为增益,VREF为基准电压。

图1示出的电表工作条件,线电压为220V,最大电流(Imax)为40A。然而,只要正确标定通道1和通道2的输入信号,就能设计出工作于任何线电压和最大电流的电能表。

AD7755有4种频率选择方式适合这类电表(即直接驱动计度器),Imax高达120A。当这类表的Ib选为5A时,规定精度的电流范围为2%Ib~Imax,或动态范围为400(即100mA~40A)机电式计度器的电表常数为100imp/kWh,即要记录1kWh的电能要求AD7755发出100个脉冲。IEC1036标准4.2.11节规定机电式记录器从最低位起按十进制计数,每位都是逢十进一。因此计度器采用5位整数1位小数显示方式,即最高位的1对应10,000,较低位依次对应1000,100,10,1,最低位对应1/10。供校验和测试用的仪表常数选做3200imp/kWh。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2213.html
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