本帖最后由 王子轩辕 于 2020-7-16 15:15 编辑
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电子式电能表电原理图分析(王昌国)
大纲:
一、电子式电能表原理(分类为 5 大部分:电源、采样计量、单片机处理、通讯、输出): 电表维修原则:1、通过现象查上一级电路输出的电压(或信号)是否正常。 2、上一级电路输出的电压(或信号)是正常的,则故障不在上一级电路,查本级电路。 3、上一级电路输出的电压(或信号)是不正常的,再查上上一级电路输出的电压(或信号)是否正常。 4、通过分级检测输出的电压(或信号)是否正常来确定故障的范围。 1、 供电原理(讲原理时要画出电路,提及有故障时的现象和检测维修方法); 1.1、 三相表供电原理: 变压器供电原理(详细讲解); 电原理图如下: 用变压器变压、整流、稳压对三相表进行供电,电路中有三个变压器。其中的每个变压器的工作原理都相同,只是 各个变压器的初级输入电压是三相电压中的不同的相。对于三相四线电表:T1 初级为 A—N 线电压,T2 初级为 B—N 线 电压,T3 初级为 C—N 线电压;对于三相三线电表:T1 初级为 A—B 相电压,T2 初级为 A—C 相电压,T3 初级为 B—C 相电压,对应我们经常在三相三线电表上显示的 A 相电压(为 A—B 相电压)、B 相电压(为 A—C 相电压)、C 相电压 (为 B—C 相电压)。用三个变压器供电的好处是:1、当电网出现某一相或两相无电压时,电表仍然可以计量有电压的 相的用电情况;2、增加电表供电的带载能力,保证电表的正常工作。 现以变压器 T1 为例详细说明以上供电电路的工作原理:
1、 压敏电阻 RV1
压敏电阻的工作原理 顾名思义,压敏电阻就是对电压敏感,由电压的改变而改变自身的电阻,我公司使用的压敏是正常时为开路,当电 压达到一定值时(压敏的动作电压),压敏电阻会非常快速地阻值下降到零(短路。这个时间为 t、t 为 1nS—10 nS,t 因 选择的压敏型号不同而不同)。而对多少电压值(动作电压)会开始阻值下降也是因选用的型号不同而不同,一般是型号 上的数值。比如:20K510 的压敏电阻,则最大不动作电压为 510V,可以查相关的电子元件资料,电子文档文件路径: Z:\研发中心\综合组\陈大全。 压敏电阻 RV1 在本电路中的作用 当输入电表的电压线上有带高能量的短时高电压时,压敏电阻动作,使高电压短路(A—N,三线为 A—B),达到保 护电表的目的。此处的高电压不是由于错误接线产生的 380V 或 420V 之类的持续高压,而是由于雷电或其他情况产生的 短时浪涌电压。 压敏电阻特别注意事项 压敏电阻在动作时可以承受 1000A 甚至于 8000A 的电流(因型号不同而不同),但是不能持续工作在动作状态(短 路状态),因为压敏电阻是一种耗尽型的电子元件,通俗地说就是“动作一次就少一次,直至最后烧毁”,如果压敏电阻 一直工作在动作状态(短路),那压敏电阻会因为电流持续时间长而爆炸。最初的电子式电能表使用 380V 的动作电压压 敏电阻时,就有过电网发生接地故障(产生压敏两端一直有 380V 电压)而使整条电网线路上的电子式电表压敏电阻都 爆炸的事件。后来就用 420V 的,再后来又认为 420V 的还不保险,现在就用 510V 的。 2、 热敏电阻 PTC1
热敏电阻的工作原理 热敏电阻在正常状态下呈现一个固定的阻值[我们使用的热敏电阻的型号中有(30Ω—60Ω)的标记,这个标记不是 指一个热敏电阻的阻值在正常情况下可以在 30Ω—60Ω之间变化,而是指这一批的热敏电阻的阻值在 30Ω—60Ω的范围 内。],当通过热敏电阻的电流达到一定值时(动作电流,因热敏电阻的型号不同而不同),热敏电阻的阻值会增大,按 照欧姆定律 I=U/R 的原理,使流过有热敏电阻的回路中电流降低,保护此回路中的其他器件。 热敏电阻 PTC1 在本电路中的作用 以上电路中,热敏电阻和 T1 初级串联,当输入电压正常时,此时热敏电阻和 T1 初级串联的回路中的电流为电表正 常的电流(因为国标要求电表单相功耗不能超过 2W,且要保证供电电路为电表提供足够的工作电流,由 P=UI 可以得出 三相四线 220V 电表一般为 10 毫安左右),热敏电阻处于正常状态(固定的阻抗,因选择的型号不同而不同)。当输入电 压变大时(一般是接地故障),热敏电阻和 T1 初级串联的回路中的电流也将变大,当此电流达到或超过热敏电阻的动作 电流时,热敏电阻将动作,热敏电阻阻值会变大,而阻值变大的速度取决于此时电流的大小,电流越大,速度越快。当 热敏的阻值变大时,由欧姆定律 I=U/R,可以得出整个回路的电流将变小,T1 初级得到保护。如果没有热敏电阻,T1 初 级的电流过大后,线圈会发热,发热的热量会使 T1 的绕组(漆包铜线)上的绝缘漆熔化,从而导致 T1 绕组匝间短路, 最后烧毁 T1。如果变压器本身能承受 420V 时的电流而不会烧毁(不会出现匝间短路),那是最好的,可以不用热敏电阻。 并且,变压器如果输入端为 420V 时,变压器次级输出的电压必须满足:整流后的电压值不能大于滤波电容的耐压值和三 端稳压块的输入极限电压,这样才不会损坏滤波电容和三端稳压块。 热敏电阻特别注意事项 1、热敏电阻的选型,必须达到电表正常工作时,热敏电阻不能动作,这里有个问题是:当环境温度变高时,热敏电 阻的动作电流会变小。这种情况要注意:常温 220V 电表可以工作,虽然高温时电表工作的功耗电流和常温一样,但是 热敏电阻的动作电流在高温下已经改变为现在的电流甚至更低,高温(比如 70 度)时 220V 可能热敏电阻已经动作,电 表不工作了。所以热敏电阻选型要满足 1.2 倍正常电压高温不保护。要求 1.5 倍正常电压下电表要工作时,则要满足 1.5 倍正常电压高温不保护。 2、热敏电阻的选型,最好(企业标准是必须)在动作后,电表能显示并走字(精度可不要求)。这样就要使热敏动 作后达到:T1 初级与热敏电阻分压后,T1 初级的电压仍然是 220V 左右,保证电表工作。这也是选型时要试验后才能定 的。 3、三相三线的电表不需要热敏电阻,因为三相三线的三根线无论如何错接,其电压差都不会变大,只是如果在调试 和使用中如果错误地接到了 220V 电压上,电表的变压器将被烧毁,所以高档的三线电表或者客户有要求的表还是加了 热敏的。 4、57.7V 的四线表使用的热敏动作电流比 220V 的要大(因为国标要求的功耗、电表本身需要的工作功率决定的), 工作原理与 220V 相同。 3、 变压器 T1
变压器的工作原理 变压器是把漆包线绕在磁性材料上,绕好后,初级通电产生磁场,这个磁场旁边的次级再感应出电压,以此达到把 电压改变的目的。其原理定理为:Uin/Uout=N1/N2;Iin/Iout=N2/N1,Uin 为输入电压,Uout 为输出电压,N1 为初级绕 组的匝数,N2 为次级绕组的匝数,Iin 为输入电流(流过初级绕组的电流),Iout 为输出电流(流过次级绕组的电流)。 变压器 T1 在本电路中的作用 T1 初级 N12 加电压 Uin :A—N(三线为 A—B),则在 T1 次级 N34 感应到一个电压,我们设为 U34,在 N56 感应 到一个电压,我们设为 U56。具体的电压变化按照变压器原理:Uin/Uout=N1/N2 进行计算,我们可以按照变压器的型号 查看我公司的自制件文件,电子文档文件路径:Z:\研发中心\综合组\陈大全\自制件文件,使用“搜索”功能查文件名关 键字可以很容易查到:比如查“TET35I01-220”,搜索“TET35I”就可以,然后在搜索的结果中寻找需要的型号。纸制的 文件在我公司下发技术文件的各个部门文员处。通过以上途径我们可以知道变压器的具体输出电压,可以知道绕组脚分 布情况,以便检测变压器是否损坏。因为对电表的安全性的要求(人身安全和设备安全),电表的试验和实际使用中都会 要求电表的输出端子必须和强电(既 A、B、C、N)隔离,而电表的端子中如果有 485 口,那么 485 电路的供电电源也 要和强电隔离:因为 485 口和 485 电源之间是不能做到要求的隔离强度的,既 485 口和 485 电源应该看做是等电位。U56 为供 485 电压的次级电压,U34 为供电表除 485 电路以外的电路的次级电压,所以 N56 与初级、N56 与 N34 是隔离的, 按照国家标准 GB/T 17215,GB/T17883 的要求,必须满足施加交流 4KV 电压 60S 时间,N56 与初级之间漏电流不能超 过 1 毫安,N56 与 N34 之间漏电流也不能超过 1 毫安。 变压器 T1 在本电路中的作用则是:1、输出两个次级电压 U34 和 U56;2、U56 和 Uin 之间,U56 和 U34 之间必须 做到施加交流 4KV 电压 60S 时间,漏电流不能超过 1 毫安。 变压器特别注意事项 1、变压器每个绕组都应该有一个固定的阻值(组成绕组的铜线决定:次级十几欧姆到几十欧姆左右,初级 1.5K 欧 姆左右。),如果是开路或者是短路都表示变压器的这个绕组坏了,或者是变压器绕组脚的分布与图纸不符。 2、因为有三个变压器供电,所以检测电表时要做单相供电试验。这里的单相供电和误差测试时检测单相电压不是同 的:因为供电是一个电路,而电压取样是另外一个电路,两者没有任何联系。既:能检测到 A 相电压只能表明 A 相电压 采样正常,不能表示 A 相供电正常;同样,供电正常也不能表示采样正常。且各相的供电和采样都没有关联关系,需要 一个个地全面检测,才能判断所有相的供电和采样是否正确。 4、 半波整流 D5
半波整流的工作原理
由于二极管是 PN 结组成的,具有单向导电性:P 到 N 的电压为正(加正向电压),且到一定值(二极管的阀值,硅 管:硅材料二极管为 0.6V—0.8V,锗管:锗材料二极管为 0.2V—0.3V)后二极管会呈现低阻抗状态(导通),使电流通 过二极管。而 N 到 P 的电压为正时(加反向电压),二极管会呈现高阻抗状态(开路),电流不能通过二极管。所以当有 一个正弦波通过一个硅二极管时将产生如下图的波形变化:正弦交流电将成为一个断续的只有正且大于 0.7V 的电压,这 个电压已不再是交流电压,而是直流电。当然,只是一个断续的、不稳定的直流电压。
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