電子電度表電源設(shè)計

1  引言

    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確、可遠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，對計量準確性、可靠性和EMC特性等有嚴格要求，因而其電源部分則是電子電度表設(shè)計的關(guān)鍵之一。

    電度表有詳細的設(shè)計、生產(chǎn)和檢測標準，如GB/T 17215-19981級和2級靜止式交流有功電度表(對應(yīng)的國際標準為IEC1036:1996)，GB/T 15284-1994多費率(分時)電度表，DL/T 698-1999低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件、DL/T 614-1997多功能電能表等。這些標準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。

2  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。

2.1  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)≥AC 250V，電容的容量過大會引起視在功率超標。

    當計量脈沖驅(qū)動計度器時，計度器的步進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。

2.2  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比單相純計量表要多，所需功率也較大，根據(jù)標準要求，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％）U_n，甚至更大。如果保證在最低輸入電壓70％R_n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U_n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3  DC/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

3  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)計便不能達到目的；當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。

4  結(jié)語

    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。