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电流规格是电能计量表的一个重要参数,因为通过此参数可以反映出一块电表可以度量用户用电负载所消耗电功率的精确程度,通常包括两部分：一部分是针对直接接入方式的电表的基本电流(Ib)或针对变压器操作表的额定电流(In),另一部分是最大电流(Imax).在一些电流额定标识中,通常会看到将电流规格被书写为Ib和Imax值的组合,Imax写在括号内放在Ib之后.例如,电表电流规格的一些常见值包括5 (20)A还有5(30)A.
由于规范制定机构已经建立起针对电流规格的不同要求,所以这些数值显得非常重要.例如国际电工委员会标准IEC62052-11推荐对于采用直接接入方式的电表,最大电流应该为基本电流值的4倍；而中国国家电网公司企业标准Q/GDW 364-2009中规定对于直接接入方式的电表,其电流规格应该在5 (60)A或10 (100)A之间选择.
最大电流尤其重要.由于电表的使用寿命一般超过10年,有时甚至是20年,在这段时间内,电能负载会有剧烈变化.以居民用电为例,电力需求可能会在电表安装后的几年出现较大的增长,尤其在每年都出现的高峰用电时段,使得最大用电负荷可能接近甚至超过电表的最大电流,这是一种必需要避免的危险情况.为了用电安全需要,电力公司不得不更换大量处于使用寿命的电表,导致大量的资源浪费.
一般地,电流规格的范围与计量部分模／数采样的动态范围相关,而这又是由电表中所用的电能计量集成电路有关.对于电力公司而言,受已投放市场的计量芯片动态范围限制,不得不对电表规定较多的电流规格,以适应不同用电负荷用户的需求.目前电流规格较多的电表,加大了电力公司和电表生产企业的资源投入,增加了检测设备的品种和数量以及成品、备品备件的库存,制约了电力公司和生产企业的标准化进程.
同时,随着各种可再生能源诸如太阳能、风能的广泛应用,其发电能力逐步并入电网.新的智能电表需要具备双向计量功能,既可以计量高峰用电时间内消耗掉的几十千瓦的电能,又可以计量在用电低峰期由可再生能源产生的瓦量级电能.
最终,电力公司和电表生产厂商都希望开发一种能满足所有用户用电需求的单一电流规格.这已经成为电力公司和电表制造商研发团队以及各芯片设计公司已经努力多年想要解决的一个难题.
为此目的,IDT开发了90E24计量芯片.该芯片使得设计电流规格为1 (100)A的单相电表成为可能,同时保持了在20 mA到100 A的电流范围内计量精准度优于0.2%,这等同于5000：1的电流计量动态范围.在温度系数低于150 ppm/℃的情况下,电流测量的精确度维持不变.
钳形电流表:[第7讲]恒定电流（3）实验：多用电表、改表
1 (100)A电流规格高精确度电表设计可以覆盖现有5 (20)A、 10 (40)A、15 (60)A、20(80)A、30 (100)A甚至1.5 (6)A所有电流规格的电表.换句话说,宽量程电表的设计使电力公司仅采购一种规格的电能表就能满足用户对不同用电负荷的需求,同时也降低了电表的库存数量,并且还可以简化对电力公司和电表生产厂家关于测试设备和备件的要求.
本文介绍了一个1(100)A宽量程电能计量表设计过程.讨论了其硬件设计,校准过程和计量特性中的要点.并且给出了对计量性能进行验证的测试数据.
概述
90E24芯片是一个高性能宽量程的电能计量芯片,其特性完全符合IEC62052-11、1EC62053-21和IEC62053-23的标准要求.90E24芯片可应用在*、2级单项瓦特时计量表或者2级单项乏时计量表.芯片的有功电能计量精度达到0.1%,在动态范围5000：1之间的无功电能计量精确可达到0.2%0 90E24的功能框图如图1所示.
宽量程电表设计
硬件设计
电能表由90E24计量芯片,一片单片机及其论文范文器件组成.计量部分电路的设计如图2所示.
90E24芯片具有三路模数转换器输入信道,分别采样一路电压和两路电流包括一路L线和一路N线.
电压输入通道的模数转换器的范围为120yVrms至600 mVrms之间,电压采样采用电阻网络分压,分压率为l kQ：840 kQ,因此在220V交流电的情况下到模数转换器的典型输入,电压为交流261.593V.
L线输入信道的模数转换器范围是从SyVrms到大约25UVrms之间（当增益为24时）.L线的电流采样采用一个150VQ的分流电阻.100A的情况下模数转换器的最大输入为15 mVrms.
N线输入通道的模数转换器范围在增益为1A时为120pVrms到600 mVrms之间.N线电流采样使用一个电流互感器.电流互感器的参数为SA (100 A)/5 mA,5 Q并且模数转换器的最大输入在100A的情况下为500mV、100A.电流互感器也可以用来隔离L线和N线.
90E24芯片内置12V的参比电压,要求参比电压针脚Vref有一个1luF和一个InF 论文范文T电容连接.温度系数为15 ppm/℃.90E24也为晶振内置了10pF的电容,因此不需要连接外部电容.外部晶振应为8.192 MHz.本设计使用一个8位复杂指令集单片机FM2307微晶片核,集成EEPROM和液晶屏驱动.其通过SPI接口与90E24芯片通信.
从上面的叙述可以看出,基于90E24的计量采用通用组件以确保低的物料成本.
校准
校准方法
本计量表在整个动态范围内只需单点校准.然而,考虑到L线采样分流电路输出的信号非常微小,任何外部干扰都可能引起可被感知到的计量误差,尤其是在低电流状态下.针对这种近似恒定的外部干扰,90E24芯片提供了功率偏差补偿功能.
N线的校准应在L线的校准完成后进行.有功电能校准完后,无功能无需进行校准.校准步骤
L线单点校准要求如下四步：
1.进入小功率模式,设置电压为220 V且电流为0安培消除有功／无功功率偏移.
2.为使校验L线增益设置电压为220 V,电流为SA和使用率为1.0.
3.为补偿L线相位角,设置电压为220V,电流为SA,使用率为0.5和频率为50Hz.
4.设置电压为220 V,电流为SA校准Urms和Irms.设置U等于220 V,I等于5A以校准Urms和Irms.
N线校准同L线相似.
计量表设计特性
电表能够测量有功电能和无功电能并能通过一个液晶屏显示信息.90E24芯片的电能脉冲输出针脚CF1和CF2负责捕获收集有功电能和无功电能.
该设计能对L线和N线都能计量并且可设置成抗干扰模式.
该计量表还能测量象Vrms、Irms、平均有功功率／无功功率／视在功率、频率、功率因数还有相位角这样一些电子参数.通过SPI接口单片机能从90E24芯片读出上述参数并通过液晶屏显示出来.
计量表为外部系统提供了2个通讯端口分别为RS-485端口和红外端口.RS-485端口也被用于计量器校准.
本文所述的计量表样机的操作参数如下：
1.参比电压：交流220V
2.电流规格：1 (100)A
3.参比频率：50 Hz
4.仪表常数：3200 imp/kWh、3200 imp/kvarh
5.起动电流：Ib的0.4%,即4 mA
测试数据
计量动态范围测试
整个计量表有功电能计量精确度达到0.2%；动态范围为5000:1时无功电能计量精度达到0.4%.
表1显示L线有功电能误差测试结果,N线有功电能误差测试结果同L线相似.
温度影响测试
表2显示的是L线温度影响测试结果.N线测试结果同L线相似.
整个计量表的温度影响优于150ppm/℃.
结论
测试结果表明90E24芯片完全能够满足电流规格为1(100)A单相电能表的设计要求.当使用廉价论文范文组件和要求仅用单点刻度法时,整个计量表设计能达到有功电能精确度优于0.2%并且温度影响低于150 ppm/℃.
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钳形电流表引用文献:
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