电能表的基本结构和原理

浅谈感应式电能表与全电子式电能表结构原理及优缺点 肖兴发

摘要：二十世纪八十年代，感应式电能表作为一种传统的电能表,在电能计量工作中发挥了极大的作用。随着电力逐步走向市场,用电营销对电能计量工作提出了更高的要求,电能计量表要承担的功能也越来越多,如在电力系统中,为引导用户更为效、合理、均衡地利用电能,避免尖峰负荷的出现,提高系统的负荷率, 达到电网经济运行的目的,需要对用户实行分时计量;又如为对电能计量装置进行在线监测、远方遥控,需要对电能表进行远方通信等。同时,随着社会的发展,交易的电量越来越大,供、用双方对自身的权益也越来越关心,这就对电能计量表计的准确度等级提出了越来越高的要求，普通感应式电能表受其结构和原理上的制约,如要进一步提高其准确度和拓展功能已很困难。此时,微电子技术和单片机应用技术的发展和普及,为电能表多功能高精度的实现创造了有利条件,正是在这种背景和条件下,电子式电能表得以出现并得到了飞速发展。

关键词：感应式电能表；全电子式电能表；工作原理；优缺点

随着时代的发展及科技的日新月异,电能计量从传统型的感应式电能表逐步转变为全电子式电能表进行计量。作为一名电能计量技术人员也应与时俱进，在熟悉传统型感应式电能表的基础上，学习各种新型电能表的工作原理及其校验技术。

一、感应式电表工作原理与基本结构

(一)、感应式电表工作原理

感应式电能表有很多种类,但它们的基本结构大同小异,一般都由驱动元件、转动元件、制动元件、调整装置、基架、轴承、计度器、铭牌、端钮盒、表壳等构成。

当电能表接入交流电路后,电压线圈的两端加上线路电压,电流线圈通过负载电流，这时电压线圈中通过电流在电压铁芯中产生了电压工作磁通;电流通过电流线圈时在电流铁芯中产生了电流工作磁通穿过圆盘时,分别在圆盘上感应出滞后于它们90度的感应的电动势分别在圆盘上关生涡流，由于电压工作磁通和电流工作磁通产生的涡流、电流工作磁通和电压工作磁通产生的涡流在空间上不相重合,而且在时间上存在着相位差,根据电磁学原理,它们分别为一对在时间上有相位差,且在空间相对位置不同的电流和磁通,因此都会产生力 的作用。这个力在圆盘上产生转动力矩,使电能表的圆盘按一个方向不停地转动。

电子式电能表工作原理与基本结构

1、电子式电能表按其工作原理的不同，可分为 模拟乘法器 型电子式电能表和 数字乘法器

型电子式电能表。

2、一般来说，电子式电能表由六个部分组成： 电源单元 、电能测量单元 、 中央处理单元(单片机) 、 显示单元 、 输出单元 、 通信单元 。

3、正常供电时，电子式电能表的工作电源通常有三种实现方式： 工频电源(即变压器降压) 、

阻容电源(电阻和电容降压) 、 开关电源 。

4、电子式电能表的显示单元主要分为 LED数码管 和 LCD液晶显示器 两种，后者功耗低，并支持汉字显示。

5、电子式电能表的关键部分是(C)。

A)工作电源 B)显示器 C)电能测量单元 D)单片机

※乘法器是电能测量单元的核心组成部分，分为模拟乘法器(热电转换型、霍尔效应型、时分割型)、数字乘法器(A/D型)。

6、时分割乘法器是许多电子式电能表的关键部分，它通常由 三角波发生器 、 比较器 、 调制器 、 滤波器 四个部分组成。

7、若某电子式电能表的启动电流是0.01Ib，过载电流是6Ib，则A/D型的电能表要求A/D转换器的位数可以是(A)。

A)10 B)9 C)11 D)8

※A/D的位数取决于Imax和Imin的比值，6÷0.01=600，而29＜600＜210，即要求A/D的位数至少是10位。

8、U/F(电压/频率)转换器组成的电能测量单元，其作用是 产生正比于有功功率的电能脉冲 。

9、采用电阻网络作为电能表的电压采样器的最大特点是 线性好和成本低 ，缺点是 无法实现电气隔离 。采用电压互感器的最大优点是 可实现初级和次级的电气隔离 ，并可提高 电能表的抗干扰能力 ，缺点是 成本高 。

10、试简单描述检定无源脉冲电能表误差。

答：通常在脉冲正端施加一个VDD=＋5～12V的直流电源，有的现场校验仪或电能表检定装置具有这一电源，中间串联R=5～10Ω的电阻，再输入给检定脉冲回路。

《电能计算》教学设计

学校： 大连市经济贸易学校 授课班级：15级16班

授课教师：闫纪凤 授课时间：2017年4月5日

课题 三相电能表的结构和测量原理 课型 新授

教学目标 知识目标 掌握感应式三相电能表的结构特点；了解三相电能表的驱动元件个数与线数的关系。

能力目标 了解感应式三相电能表的使用方法。以及三相电能表转轴的求和功能。

情感目标 通过分析感应式三相电能表的结构特点，培养学生严谨的工作态度和积极的工作热情。

教材分析 重点 掌握感应式三相电能表的结构特点；了解三相电能表的驱动元件个数与线数的关系。

难点 三相电能表转轴的求和功能。

关键 掌握感应式三相电能表的结构特点。

教具资料 电能表，教材，课件，图片等。

教学方法 列举法，讲授法，讨论法，分析法等。

教学环节 教学内容 教师调控

学生活动 时间分配

一

二

三

组织教学：组织学生准备好课上需要的资料。

引入新课：向学生展示一幅电能表结构的图片，调查学生对电能表的了解程度。

讲授新课：

尽管三相电能表的型号繁多，但其结构基本相同，都是由测量机构和辅助不见（基架、底座、外壳、端钮盒和铭牌）组成。

1、测量机构

1）驱动元件2）转动元件3）制动元件4）轴承5）计度器。

2、辅助部件

1）基架：用于支撑和固定测量机构，对电能表的性能有一定的影响，故基架应有足够的机械强度。

2）外壳： 3）端钮盒：

4）铭牌：

三相电能表与单相电能表的区别：

（1） 每只三相电能表都有两组或三组电磁驱动元件，它们产生的驱动力矩共同作用在一个转轴上，并由一个计度器指示三相负载消耗的总电能。

（2） 三相电能表每组驱动元件之间存在电磁干扰，且其基本误差与各驱动元件的相对位置及处于的工作状态有关。当三相负载不平衡或三相电压不对称或相序不同时，都会影响其误差特性。

门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。

一、结构与工作原理

1、 结构

GTO是一种PNPN4层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号示于图1中。图1中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。通常α1比α2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1，器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。 普通晶闸管SCR也是PNPN4层结构，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。

GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。

2、 开通原理

由图1（b）所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如图2所示。

显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流IG足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2增加。当α1+α2>1之后，两个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。可见，GTO开通的必要条件是