第三章電子式電能表的結構和原理第1頁，課件共45頁，創作于2023年2月第三章電子式電能表的結構和原理第一節機電式電能表的結構和工作原理第二節全電子式電能表的結構和工作原理第三節單相電子式復費率電能表第四節單相預付費電能表第五節三相三線電子式多功能電能表

第2頁，課件共45頁，創作于2023年2月第一節機電式電能表的結構和工作原理

一、單向脈沖式電能表二、雙向脈沖式電能表

第3頁，課件共45頁，創作于2023年2月機電式電能表主要由感應式測量機構、光電轉換器和分頻器、計數器及顯示器四大部分組成，工作原理框圖如圖3-1所示。感應式測量機構的主要作用是將電能信號轉變為轉盤的轉數光電轉換器的作用是將正比于電能的轉盤轉數轉換為電脈沖分頻器和計數器的主要作用是對經光電轉換器轉換成的脈沖信號進行分頻、計數，從而得到所測量的電能。顯示器的作用是把電能表所測量的電能用電子器件顯示出來，以方便讀取數據。第一節機電式電能表的結構和工作原理

第4頁，課件共45頁，創作于2023年2月一、單向脈沖式電能表單向脈沖式電能表的光電轉換器主要包括光電頭和光電轉換電路兩部分。1．光電頭光電頭由發光器件和光敏器件組成。兩種典型光電頭的安裝結構如圖3-3所示。圖3-3（α）為穿透式光電頭，圖3-3（b）是反射式光電頭。

第5頁，課件共45頁，創作于2023年2月2．光電轉換電路一種最基本的光電轉換電路如圖3-4所示。當光敏管接收到較強的光照時，處于導通狀態，光電流增加，V1導通，作用到V2和V3組成的射極耦合放大器上，使輸出電壓呈高電平；反之，當光敏管接收到的光照較弱時，處于截止狀態，相應的輸出電壓呈低電平。

一、單向脈沖式電能表

第6頁，課件共45頁，創作于2023年2月二、雙向脈沖式電能表雙向脈沖式電能表具有雙向計度的功能，既能測量正向消耗電能，又能測量反向消耗電能。雙向脈沖式電能表光電轉換及雙向脈沖輸出控制電路如圖3-8所示。

第7頁，課件共45頁，創作于2023年2月第二節全電子式電能表的結構和工作原理

一、輸入變換電路二、乘法器電路三、電壓／頻率轉換器四、分頻計數器五、顯示器

第8頁，課件共45頁，創作于2023年2月電子式電能表工作原理框圖如圖3-10所示被測量的高電壓u、大電流i經電壓變換器和電流變換器轉換后送至乘法器，乘法器完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓／頻率轉換器，U被轉換成相應的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時間內計數器的計數，顯示出相應的電能。

第9頁，課件共45頁，創作于2023年2月一、輸入變換電路

輸入電路的作用，一方面是將被測信號按一定的比例轉換成低電壓、小電流輸入到乘法器中；另一方面是使乘法器和電網隔離，減小干擾。（一）電流輸入變換電路1．錳銅片分流器

以錳銅片作為分流電阻RS，當大電流i（t）流過時會產生相應的成正比的微弱電壓Ui（t），其數學表達式為Ui（t）＝i（t）R

第10頁，課件共45頁，創作于2023年2月2．電流互感器采用普通互感器（電磁式）的最大優點是電能表內主回路與二次回路、電壓和電流回路可以隔離分開，實現供電主回路電流互感器二次側不帶強電，并可提高電子式電能表的抗干擾能力。其原理框圖如圖3-12所示。其數學表達式為

一、輸入變換電路

第11頁，課件共45頁，創作于2023年2月（二）電壓輸入變換電路1．電阻網絡采用電阻網絡的最大優點是線性好、成本低，缺點是不能實現電氣隔離。實用中，一般采用多級（如3級）分壓，以便提高耐壓和方便補償與調試。典型接線如圖3-13所示。一、輸入變換電路

第12頁，課件共45頁，創作于2023年2月2．電壓互感器采用互感器的最大優點是可實現一次側和二次側的電氣隔離，并可提高電能表的抗干擾能力，缺點是成本高。其電路圖如圖3-14所示。其數學表達式為u（t）＝KUuU（t）

一、輸入變換電路

第13頁，課件共45頁，創作于2023年2月二、乘法器電路

模擬乘法器是一種完成兩個互不相關的模擬信號（如輸入電能表內連續變化的電壓和電流）進行相乘作用的電子電路，通常具有兩個輸入端和一個輸出端，是一個三端網絡，如圖3-15所示。理想的乘法器的輸出特性方程式可表示為

第14頁，課件共45頁，創作于2023年2月（一）時分割乘法器它在提供的節拍信號的周期T里，對被測電壓信號ux作脈沖調寬式處理，調制出一正負寬度T1、T2之差（時間量）與ux成正比的不等寬方波脈沖，即T2－T1＝K1ux；再以此脈沖寬度控制與ux同頻的被測電壓信號uy的正負極性持續時間，進行調幅處理，使u＝K2uy；最后將調寬調幅波經濾波器輸出，輸出電壓U0為每個周期T內電壓u的平均值，它反映了ux、uy兩同頻電壓乘積的平均值，實現了兩信號的相乘，輸出的調寬調幅方波如圖3-17所示。

二、乘法器電路

第15頁，課件共45頁，創作于2023年2月（二）數字乘法器采用數字乘法器的全電子式電能表的基本結構框圖如圖3-20所示。微處理器控制雙通道A／D轉換，同時對電壓、電流進行采樣，由微處理器完成相乘功能并累計電能。平均功率表示為以△t為時間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對電壓、電流同時進行采樣，則

二、乘法器電路

第16頁，課件共45頁，創作于2023年2月三、電壓／頻率轉換器

電子式電能表常用的雙向積分式電壓／頻率轉換器的原理電路如圖3-21所示。輸出電壓U0的頻率

第17頁，課件共45頁，創作于2023年2月四、分頻計數器所謂分頻，就是使輸出信號的頻率分為輸入信號頻率的整數分之一；所謂計數，就是對輸入的頻率信號累計脈沖個數。圖3-23為分頻計數器原理框圖和脈沖波形。

第18頁，課件共45頁，創作于2023年2月五、顯示器

目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶（LCD）、發光二極管（LED）、熒光管（FIP）。液晶顯示器（LCD）是利用液晶在一定電場下發生光學偏振而產生不同透光率來實現顯示功能的。液晶顯示器在靜態直流電場下壽命很短（一般為幾千小時），而在動態交變電場下壽命很長（可達20萬h）；除具有長壽命的優點之外，還具有功耗?。ㄐ∮?0μA），在有一定采光度時顯示對比強等優點。發光二極管（LED）是利用特殊結構和材質的二極管在施加正向工作電壓、具有一定工作電流時，發出某一特定波長的可見光來實現顯示功能的。具有溫度范圍寬（﹣40～85℃）、在弱光背景下顯示醒目和低成本等優點；缺點是壽命短（一般為3萬～5萬h）、耗電大（一般5～10mA）、露天下顯示不清等。熒光顯示板（FIP）是利用特種熒光物質在一定電場和一定紅外線熱能下產生一定亮度的可見熒光來實現顯示功能的。除成本高缺點外，其優缺點和發光二極管基本相同。

第19頁，課件共45頁，創作于2023年2月第三節單相電子式復費率電能表

一、常用術語二、工作原理三、主要功能特點四、規格五、基本誤差六、主要技術指標七、顯示功能八、遙控器功能九、遙控器編程十、讀表

第20頁，課件共45頁，創作于2023年2月一、常用術語

1．復費率電能表有多個計度器分別在規定的不同費率時段內記錄交流有功或無功電能的電能表2．費率計度器由貯存器（用作貯存信息）和顯示器（用作顯示信息）二者構成的電——機械裝置或電子裝置，能記錄不同費率的有功或無功電能量。3．電能測量單元由被測量輸入回路、測量等部分構成，進行有功或無功電能計量的單元

4．費率時段控制單元由費率計度器（含驅動電路）、時間開關及邏輯電路等構成，進行費率時段電能測量和顯示的單元

5．峰、平、谷電量電力系統日負荷曲線高峰時段的電能量稱峰電量，低谷時段的電能量稱谷電量，計量峰、谷時段以外的電能量稱平電量，三者之和為總電量

第21頁，課件共45頁，創作于2023年2月單相電子式復費率電能表的工作原理框圖如圖3-24所示。

二、工作原理第22頁，課件共45頁，創作于2023年2月工作原理:二、工作原理電流、電壓采樣電路是將流過線路的大電流和外部220V交流電壓變換為合適的小電流、小電壓信號，經電能專用集成電路轉換成隨功率變化的脈沖信號。單片微處理器接收到功率脈沖信號后進行電能累計，數據存入存儲器中，同時讀取時鐘信號，按照預先設定好的時段分時計量，將數據輸出到顯示器中顯示，并且隨時接收串行通信口的通信信號進行數據處理。第23頁，課件共45頁，創作于2023年2月三、主要功能特點

（1）4種費率、10個時段（2）最大需量計算采用滑差式（3）當前一分鐘平均功率的顯示（4）5V／80ms有源或無源光電隔離電能脈沖輸出（5）停電時間累計（6）具有紅外遙控編程、RS485通信接口（7）可用12V外接電源掌上電腦紅外抄表（8）可設固定顯示和循環顯示方式（9）可記錄3個月（本月、上月、上上月）的有功總電能、各費率電能、最大需量及需量發生的時間等信息（10）遙控器可全面顯示所有功能項，并可方便編程

第24頁，課件共45頁，創作于2023年2月四、規格第25頁，課件共45頁，創作于2023年2月五、基本誤差

第26頁，課件共45頁，創作于2023年2月六、主要技術指標

（1）時鐘準確度：日誤差≤土0.5S／天（2）停電后數據保持時間：≥10年（3）電能計度器容量：99999.9kW·h（4）需量計度器容量：99.9999kW（5）絕緣耐壓：≥2000VAC（6）功耗（LCD顯示）：≤2VA（7）啟動電流：0.4％Ib（8）電池功耗（停電不顯示時）：≤0.4μA（9）工作溫度：﹣20～﹢50℃（10）存儲和運輸溫度：﹣25～﹢50℃（11）濕度：≤75％。

第27頁，課件共45頁，創作于2023年2月七、顯示功能

（1）數碼管顯示。左邊2位指示功能序號，右邊6位指示內容（2）峰平谷指示燈。峰、平、谷指示燈中的一個亮依次代表右邊6位顯示為峰電量、平電量、谷電量；峰、平兩燈齊亮表示尖峰電量；三燈全亮表示總電量。（3）欠壓指示燈。內部電池欠壓時此燈常亮顯示（4）電能脈沖指示燈。用于指示用戶用電負載情況

第28頁，課件共45頁，創作于2023年2月八、遙控器功能

（1）記憶鍵：編程時，將調整正確的數據記憶，同時功能號遞增一位；讀表時，顯示“00”項功能序號。（2）右移鍵。編程時循環移動要調整的數據位；在正常工作狀態下，該鍵為循環顯示和固定顯示轉換開關。（3）上移及下移鍵。編程時，用以增、減閃爍位的數值；正常工作時，用以增、減顯示項功能序號。（4）編程鍵：在需要對電能表進行編程時按此鍵2秒鐘便可進入編程狀態。（5）清零鍵：在電能表最大需量需要清零時按此鍵可將最大需量值清零。（6）復位鍵：編程狀態時按此鍵退出編程，正常工作時按此鍵顯示功能序號00項。（7）數字鍵。數字鍵0～9在編程狀態時用于修改數碼管閃爍位的數值，正常工作時用于查看功能序號項數據。（8）自檢鍵。用于檢查數碼管各段顯示是否正常。

第29頁，課件共45頁，創作于2023年2月九、遙控器編程

（1）進入編程狀態。按“編程”鍵，此時顯示“99——0”，依次在數碼管閃爍位輸入6位密碼，密碼正確后進入編程狀態（2）選定編程項。進入編程狀態后，左邊兩位數碼管顯示編程項目號，用遙控器上的數字鍵“0～9”或者按“上移”或“下移”鍵，改變到要編程的項目號（3）輸入數據。按“右移”鍵選擇數據位，其閃爍位可用數字鍵“0～9”或“上移”“下移”鍵輸入數字(4）記憶數據：確認輸入數據正確后，按記憶鍵保存該項數據。（5）編程結束：按“復位”鍵結束編程。

第30頁，課件共45頁，創作于2023年2月十、讀表

1．直接讀表表內顯示可以設定為固定項目顯示或循環顯示。固定顯示時，用戶只要按遙控器上的“數字鍵”、“上移”或“下移”鍵顯示相應功能順序號項內容，按復位或記憶鍵顯示回到“00XXXXXX”項2．最大需量清零最大需量清零是將當前電能表內電量、最大需量凍結保存。按清零鍵后電能表自動將上月電量、需量等數據存入上上月保存，將當前電量、需量等數據存入上月保存，當前需量清零，以后依次類推

第31頁，課件共45頁，創作于2023年2月第四節單相預付費電能表一、基本原理二、IC卡技術三、主要性能指標及功能

第32頁，課件共45頁，創作于2023年2月一、基本原理

單相預付費電能表原理框圖如圖3-25所示。

第33頁，課件共45頁，創作于2023年2月二、IC卡技術

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitGard）的簡稱。它將集成電路鑲在塑料卡片上。它與磁卡比較有接口電路簡單、保密性好、不易損壞、存儲容量大、壽命長等特點。IC卡中的芯片分為不揮發的存儲器（也稱存儲卡）、保護邏輯電路（也稱加密卡）和微處理單元（也稱CPU卡）三種在電能表上使用的卡，這三種都有，接口往往采用串行方式的接觸式卡。

第34頁，課件共45頁，創作于2023年2月三、主要性能指標及功能

1．主要參數（1）準確等級：1.0級；（2）電流規格：5（20），10（40）A；（3）電壓回路功耗：＜2W；（4）工作電壓范圍：（70%～130%）Ue；（5）脈沖常數：5（20）A，3200imp/（kWh）；10（40）A，1600imp/（kWh）；（6）起動電流：0.4%Ib；（7）卡類型：加密卡；（8）設計壽命：15年

第35頁，課件共45頁，創作于2023年2月2．主要功能（1）計量功能。計量有功電量，有功＝正向有功十反向有功。（2）功率脈沖輸出。脈沖寬度80±5ms，空觸點輸出，同時有脈沖LED指示。（3）負荷控制。具有超功率自動斷電的負荷控制功能，可以設置功率限額以及允許次數，當平均功率大于限額后，電能表跳閘并顯示當時的功率。使用用戶購電卡插入電能表可以恢復供電。但當超功率跳閘次數超過設定的允許次數時，電能表將不可恢復供電，只有使用了參數設置卡改變了功率限額后，才能恢復供電。（4）防竊電功能。具有自動檢測短接電流回路的防竊電功能，當短接進出線時，電能表顯示“O”并且記錄竊電次數。（5）顯示。LCD顯示可以設置自動及手動（按鈕切換）方式，（6）報警顯示。當電能表自檢出現故障時，顯示故障（7）預付費功能。使用購電卡可將購電量送入電能表，電能表按設定的費率遞減，當剩余電費小于設定的報警門限時，電能表跳閘，提醒用戶去購電；此時插入購電卡可以恢復供電。當剩余電費小于零后，電能表將跳閘，直到購電后才能恢復供電。三、主要性能指標及功能

第36頁，課件共45頁，創作于2023年2月第五節三相三線電子式多功能電能表

一、常用術語二、工作原理三、主要性能四、規格和主要技術參數五、主要功能六、顯示功能第37頁，課件共45頁，創作于2023年2月一、常用術語

1．測量單元產生與被計量的電能量成正比例輸出的電能表部件。2．數據處理單元對輸入信息進行數據處理的電能表部件。3．多功能電能表由測量單元和數據處理單元等組成，除計量有功（無功）電能外，還具有分時、測量需量等兩種以上功能，并能顯示、儲存和輸出數據的電能表。4．顯示器顯示存儲器內容的裝置。5．需量周期測量平均功率的連續相等的時間間隔。6．最大需量在指定的時間區間內，需量周期中測得的平均功率最大值。7．滑差（窗）時間依次遞推來測量最大需量的小于需量周期的時間間隔。8．額定最大脈沖頻率多功能電能表在額定電壓、額定頻率、額定最大電流及cosφ=1.0條件下，單位時間發出的脈沖數。

9．常數表示多功能電能表計量到的電能量與其相應的輸出值之間關系的數。第38頁，課件共45頁，創作于2023年2月二、工作原理

工作原理框圖如圖3-26所示。

第39頁，課件共45頁，創作于2023年2月工作原理:二、工作原理

A、B、C三相電壓、電流信號經電能表采樣電路和功率計量處理器變換成相應的數字信息后，傳送給數據處理中心，并通過程序處理求出各相電壓、電流、功率、電量、需量、功率因數等各項參數；同時識別各相電壓、電流有無異常并記錄相應的失壓、失流狀態。第40頁，課件共45頁，創作于2023年2月三、主要性能

（1）保證整機長期穩定工作；精度基本不受頻率、溫度、電壓變化影響；整機體積小，重量輕，密封性能好，可靠性較其他同類產品有明顯提高（2）當電網停電后，鋰電池作為后備電源，