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電子電度表電源設(shè)計

發(fā)布時間:2010-06-08

中心議題:
  • 單相電子電度表的電源設(shè)計
  • 三相電度表電源設(shè)計
解決方案:
  • 單相純計量表采用低成本的串聯(lián)阻容降壓電路
  • 對三相四線供電時不能缺零線,對三相三線供電時不能缺公共地線

隨著國家電力產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,以及電力行業(yè)推行“一戶一表”制,使得早期使用的機電式電度表越來越不適應(yīng)市場要求,而電子式電度表由于具有計量準(zhǔn)確、可遠(yuǎn)程抄表和分時計量等特點,且產(chǎn)品的可靠性也占有優(yōu)勢,因而市場見好。據(jù)報道每年僅國內(nèi)就約有五千萬只的需求。由于電度表屬于不間斷工作的電力計量產(chǎn)品,對計量準(zhǔn)確性、可靠性和EMC特性等有嚴(yán)格要求,因而其電源部分則是電子電度表設(shè)計的關(guān)鍵之一。

電度表有詳細(xì)的設(shè)計、生產(chǎn)和檢測標(biāo)準(zhǔn),如GB/T17215-19981級和2級靜止式交流有功電度表(對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)為IEC1036:1996),GB/T15284-1994多費率(分時)電度表,DL/T698-1999低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件、DL/T614-1997多功能電能表等。這些標(biāo)準(zhǔn)分別對與電度表電源設(shè)計有關(guān)的整機功耗,輸入電壓范圍,EMC測試等方面提出了詳細(xì)要求。下面分別探討簡單的單相純計量表、單相多功能表、三相電度表的電源設(shè)計方法和應(yīng)注意的問題。

單相電子電度表的電源設(shè)計

單相電子電度表中純計量表和多功能電表,對電源的需求有所不同。

1單相純計量表的電源設(shè)計

單相純計量表一般只含有一個基本的計量單元,一個電子計度器,一個發(fā)光二極管和脈沖輸出口等,整機耗電一般不超過50mW,采用低成本的串聯(lián)阻容降壓電路即可滿足整個電度表的供電需求;有的計量IC只需要單一+5V電源供電,如ADE7755等,如圖1所示。而有的計量IC需要±5V或±2.5V雙電源供電,如BL0932、SA9602M等,如圖2所示。


圖1單電源供電

圖2雙電源供電

輸入電路的電阻R1(或R1、R2)要采用品質(zhì)較好的金屬膜電阻或水泥電阻,功率2~5W,阻值100~820Ω;降壓電容C2(或C5)采用高質(zhì)量的高壓金屬化聚丙烯電容,一般0.22~0.47μF,耐壓應(yīng)≥AC250V,電容的容量過大會引起視在功率超標(biāo)。

當(dāng)計量脈沖驅(qū)動計度器時,計度器的步進(jìn)電機瞬間會吸收較大的電流,如果輸出濾波電容量不足時,將引起電壓波動,影響計量的準(zhǔn)確度,尤其電度表在大電流輸入時,計量脈沖的頻率更快,供電電壓更易受到影響,所以還應(yīng)選擇較大的輸出濾波電容,保證在大電流計量工作時,不影響計量精度。一般情況下主電路濾波電容取1000μF~2200μF,并且要用長壽命(>2000h)的電解電容以提高可靠性,同時也應(yīng)考慮發(fā)光二極管、脈沖輸出口有計量脈沖輸入時,瞬間也會吸收部分電流,對電源電壓的穩(wěn)定性也有影響。

2單相多功能電度表的電源設(shè)計

單相多功能電度表的基本單元一般包含計量,CPU,顯示等。對電源來說,主要考慮的是電度表需要幾路電源,各路的電壓、功率需求;有些電表可能還有外接控制線或通訊線,對這些引出線應(yīng)有安全隔離要求。由于該電度表上所用的元器件和集成電路等遠(yuǎn)比單相純計量表要多,所需功率也較大,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,電壓線路的靜態(tài)功耗對不同類電度表應(yīng)≤1.5~3W,視在功率≤10VA,一般采用低成本的線性變壓器供電即可。有的供電局對電子電度表功耗提出了更加嚴(yán)格的要求,比如靜態(tài)功耗要<1W,而對輸入電壓波動范圍要求在(70%~130%)Un,甚至更大。
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如果保證在最低輸入電壓70%Rn時電表能輸出正常的工作電壓,按線性變壓器特性,則在額定輸入電壓Un時,輸出電壓會較高,如果輸出電壓整流濾波后采用一般的線性穩(wěn)壓器供電,將會使整機功耗加大;而在最高輸入電壓時,將會使變壓器溫升增大,線性穩(wěn)壓電路損耗加大,發(fā)熱量也會增大;針對整機耗電較大的電子電度表,其解決辦法一是可以采用較好材質(zhì)的硅鋼片,如Z11型硅鋼片;二是低壓輸出穩(wěn)壓電路采用一個低成本的高效率DC/DC變換電路,即可使整機功耗顯著降低,還可在寬輸入電壓范圍內(nèi),穩(wěn)定、高效地工作。這些DC/DC電路可以采用簡單的低成本MC34063、LM2574等DC/DC變換器,采用MC34063設(shè)計的+5V輸出DC/DC變換器如圖3所示。


圖3DC/DC變換器

現(xiàn)在,大部分供電部門為防止由于電網(wǎng)零線接錯而損壞電度表或人為采用過壓供電方法破壞電度表等問題,已要求新安裝的單相電度表能夠承受高壓(如380V電壓)一定時間(如4h)而不損壞,如果單相表的輸入電路不加處理,輸入的高壓將會使電度表在短時間內(nèi)燒毀。只要在變壓器輸入端串聯(lián)一只合適的PTC熱敏電阻作過流保護,讓外部電壓主要加在PTC熱敏電阻上,則可保證線性變壓器不致發(fā)熱、損壞。為保證不發(fā)生誤動作,熱敏電阻的不動作電流應(yīng)參考電度表的實際交流輸入電流選取,并留有50%余量,居里溫度應(yīng)≥80℃;在最高工作溫度下,最大負(fù)荷工作時,電表不能被保護,而在最低工作溫度下,輸入端加入380V交流電時,電度表內(nèi)的PTC應(yīng)在很短時間內(nèi)起保護作用,保證電表不被損壞,電路圖如圖4所示。


圖4單相多功能電度表電源

三相電度表電源設(shè)計

三相電度表有三相三線,三相四線,輸入電壓有3×(220~240)V/380~400V、3×57V/100V等。三相電度表供電電路可以參考單相電度表電源的設(shè)計方法,對于三相四線供電電路,可以在每一相線對零線之間接1只線性變壓器,共3只線性變壓器;對三相三線可以取一相如Β相作為公共地線,A、C相對Β相接2只線性變壓器。這些變壓的副邊單獨整流后再將輸出的正極接在一起、負(fù)極接在一起,經(jīng)電容濾波后,再通過DC/DC變換器輸出穩(wěn)定電壓,向電度表供電,如圖5所示。


圖5三相電度表線性電源

這種供電方式體積和重量較大,成本也較高,顯然按以上電路連接時,對三相四線供電時不能缺零線,對三相三線供電時不能缺公共地線,如B相;另外,有的供電局用戶要求,三相電度表輸入端任意兩線有電壓輸入時都能工作,則圖5的設(shè)計便不能達(dá)到目的;當(dāng)采用三相電度表專用開關(guān)電源模塊供電時,可解決以上問題,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。


圖6三相電度表專用開關(guān)電源模塊

這種三相電度表專用開關(guān)電源模塊,體積為32mm×75mm×22mm,輸入電壓范圍寬,在60~480V范圍內(nèi),任意二線、三線、四線輸入都可工作,帶有輸入過壓、輸出過流保護功能,電源的EMC特性也較好,另外還有體積小、重量輕、效率高、損耗小等優(yōu)點,它的每相供電的自身損耗均<0.4W,已經(jīng)過我公司三年批量試用,具有良好效果。

電子電度表的電源設(shè)計應(yīng)合理選擇元、器件,以提高產(chǎn)品的可靠性,并降低成本;主機應(yīng)選擇低壓供電、低功耗的電路以降低整機功耗;另外,合理地布置元、器件及PCB布線等,對提高電度表的EMC性能有極其重要意義。
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