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。兩線制系統(tǒng)設計的，但也容易適合特殊地區(qū)的設計要求，例如美國的配電系統(tǒng)通常要求居民電表采用單相、三線制系統(tǒng)。

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(shù)轉換器（ADC），一個基準電壓源和用來計算有功功率的全部信號處理電路。AD7755還包含直接驅動機電式計度器（即電能記錄器）的數(shù)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(guī)定精度的電流范圍都用基本電流（Ib）表示。根據(jù)IEC1036（1996-09）標準3.5.1.1節(jié)規(guī)定，Ib是指與一個直接連接的電表相關性能一致的電流值。最大電流（Imax）是指保持規(guī)定精度的最大電流。
2.表1中列出的功率因數(shù)（PF）表征了基波（45-65Hz）電壓與電流波形之間的相位關系。在這種情況下PF簡單定義為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(jù)IEC1036（1996-09）標準的3.5.5節(jié)，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(jù)。對于比較熟悉ANSIC12.6標準的讀者，請見本文最后一節(jié)ANSI C12.16與ICE1036標準比較，本節(jié)只對與ANSI相對應的IEC10236標準的主要內容作一些解釋。

為滿足多種情況下的精度要求，例如功率因數(shù)（PF）等于1時的精度要求和PF較低（PF=±0.5)時精度要求，設計技術指標應該遠遠高過基本技術指標。另外電能表的動態(tài)范圍也超過500。IEC1036標準規(guī)定在5%Ib-Imax電流范圍內達到規(guī)定的精度要求，見表流范圍內達到規(guī)定的精度要求，見表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，并且為衰減線電壓采用了簡單的分壓網(wǎng)絡。電能記錄器（kWh)是川用兩相步進電機構成的簡單機電式計度器。AD7755的F1、F2引腳能夠直接驅動這種計度器，CF引腳還可提供儀表常數(shù)為3200imp/kWh（脈沖數(shù)/千瓦小時）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程，從而為生產電表提供本種快捷的校驗方法。本設計利用電阻網(wǎng)絡R5-R4改變線電壓的衰減來校驗電表。

設計原理

AD7755產生的輸出頻率與兩個輸入電壓信號乘積的時間平均值 成正比。加在AD7755上的輸入電壓值為V1和V2。有關AD7755的詳細功能已在AD7755活頁資料中做了介紹，見工作原理一節(jié)。該活頁資料提供了計算輸出頻率F1和F2（驅動計度器）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，這里重新給出公式（1）。為了將電能表校驗到一個固定常數(shù)，用公式（1）對V2值進行標定。

F=(8.06×V1×V2×G×F1-4）/VREF2 （1）

其中F為引腳F1，F(xiàn)2輸出的脈沖頻率，F(xiàn)1-4是由主時鐘獲得分頻，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電表（即直接驅動計度器），Imax高達120A。當這類表的Ib選為5A時，規(guī)定精度的電流范圍為2%Ib～Imax，或動態(tài)范圍為400（即100mA～40A)機電式計度器的電表常數(shù)為100imp/kWh，即要記錄1kWh的電能要求AD7755發(fā)出100個脈沖。IEC1036標準4.2.11節(jié)規(guī)定機電式記錄器從最低位起按十進制計數(shù)，每位都是逢十進一。因此計度器采用5位整數(shù)1位小數(shù)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(shù)選做3200imp/kWh。