用AD7755設計的低成本電能表

概述

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

采用AD7755設計電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。AD7755內部包含兩路模數轉換器（ADC），一個(gè)基準電壓源和用來(lái)計算有功功率的全部信號處理電路。AD7755還包含直接驅動(dòng)機電式計度器（即電能記錄器）的數字頻率轉換器（F1、F2）和用于校驗和通信的高頻脈沖輸出電路（CF）。

有關(guān)AD7755功能請參考脈沖輸出的電能計量集成電路活而資料。

表1 精度要求

注：1.表1中示出的規定精度的電流范圍都用基本電流（Ib）表示。根據IEC1036（1996-09）標準3.5.1.1節規定，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）是指保持規定精度的最大電流。
2.表1中列出的功率因數（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IEC1036（1996-09）標準的3.5.5節，電表等級定義為百分比誤差的范圍。百分比誤差定為：百分比誤差=(測量值-真值)/真值100%

設計目的

按照1級和2級交流有功功率電能表國際標準IFC1036（1996-09），作為本設計的主要依據。對于比較熟悉ANSIC12.6標準的讀者，請見(jiàn)本文最后一節ANSI C12.16與ICE1036標準比較，本節只對與ANSI相對應的IEC10236標準的主要內容作一些解釋。

為滿(mǎn)足多種情況下的精度要求，例如功率因數（PF）等于1時(shí)的精度要求和PF較低（PF=±0.5)時(shí)精度要求，設計技術(shù)指標應該遠遠高過(guò)基本技術(shù)指標。另外電能表的動(dòng)態(tài)范圍也超過(guò)500。IEC1036標準規定在5%Ib-Imax電流范圍內達到規定的精度要求，見(jiàn)表流范圍內達到規定的精度要求，見(jiàn)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。對應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設計的一種簡(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換，本設計采用分流器，并且為衰減線(xiàn)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)電機構成的簡(jiǎn)單機電式計度器。AD7755的F1、F2引腳能夠直接驅動(dòng)這種計度器，CF引腳還可提供儀表常數為3200imp/kWh（脈沖數/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過(guò)程，從而為生產(chǎn)電表提供本種快捷的校驗方法。本設計利用電阻網(wǎng)絡(luò )R5-R4改變線(xiàn)電壓的衰減來(lái)校驗電表。

設計原理

AD7755產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)輸入電壓信號乘積的時(shí)間平均值 成正比。加在A(yíng)D7755上的輸入電壓值為V1和V2。有關(guān)AD7755的詳細功能已在A(yíng)D7755活頁(yè)資料中做了介紹，見(jiàn)工作原理一節。該活頁(yè)資料提供了計算輸出頻率F1和F2（驅動(dòng)計度器）的計算公式，它們與輸入電壓信號的有效值V1和V2的乘積成正比。為方便起見(jiàn)，這里重新給出公式（1）。為了將電能表校驗到一個(gè)固定常數，用公式（1）對V2值進(jìn)行標定。

F=(8.06×V1×V2×G×F1-4）/VREF2 （1）

其中F為引腳F1，F2輸出的脈沖頻率，F1-4是由主時(shí)鐘獲得分頻，G為增益，VREF為基準電壓。

圖1示出的電表工作條件，線(xiàn)電壓為220V，最大電流（Imax)為40A。然而，只要正確標定通道1和通道2的輸入信號，就能設計出工作于任何線(xiàn)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(lèi)電表（即直接驅動(dòng)計度器），Imax高達120A。當這類(lèi)表的Ib選為5A時(shí)，規定精度的電流范圍為2%Ib～Imax，或動(dòng)態(tài)范圍為400（即100mA～40A)機電式計度器的電表常數為100imp/kWh，即要記錄1kWh的電能要求AD7755發(fā)出100個(gè)脈沖。IEC1036標準4.2.11節規定機電式記錄器從最低位起按十進(jìn)制計數，每位都是逢十進(jìn)一。因此計度器采用5位整數1位小數顯示方式，即最高位的1對應10,000，較低位依次對應1000，100，10，1，最低位對應1/10。供校驗和測試用的儀表常數選做3200imp/kWh。