本帖最后由 王子軒轅 于 2020-7-16 15:15 編輯
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電子式電能表電原理圖分析(王昌國)
大綱:
一、電子式電能表原理(分類為 5 大部分:電源、采樣計量、單片機處理、通訊、輸出): 電表維修原則:1、通過現象查上一級電路輸出的電壓(或信號)是否正常。 2、上一級電路輸出的電壓(或信號)是正常的,則故障不在上一級電路,查本級電路。 3、上一級電路輸出的電壓(或信號)是不正常的,再查上上一級電路輸出的電壓(或信號)是否正常。 4、通過分級檢測輸出的電壓(或信號)是否正常來確定故障的范圍。 1、 供電原理(講原理時要畫出電路,提及有故障時的現象和檢測維修方法); 1.1、 三相表供電原理: 變壓器供電原理(詳細講解); 電原理圖如下: 用變壓器變壓、整流、穩壓對三相表進行供電,電路中有三個變壓器。其中的每個變壓器的工作原理都相同,只是 各個變壓器的初級輸入電壓是三相電壓中的不同的相。對于三相四線電表:T1 初級為 A—N 線電壓,T2 初級為 B—N 線 電壓,T3 初級為 C—N 線電壓;對于三相三線電表:T1 初級為 A—B 相電壓,T2 初級為 A—C 相電壓,T3 初級為 B—C 相電壓,對應我們經常在三相三線電表上顯示的 A 相電壓(為 A—B 相電壓)、B 相電壓(為 A—C 相電壓)、C 相電壓 (為 B—C 相電壓)。用三個變壓器供電的好處是:1、當電網出現某一相或兩相無電壓時,電表仍然可以計量有電壓的 相的用電情況;2、增加電表供電的帶載能力,保證電表的正常工作。 現以變壓器 T1 為例詳細說明以上供電電路的工作原理:
1、 壓敏電阻 RV1
壓敏電阻的工作原理 顧名思義,壓敏電阻就是對電壓敏感,由電壓的改變而改變自身的電阻,我公司使用的壓敏是正常時為開路,當電 壓達到一定值時(壓敏的動作電壓),壓敏電阻會非常快速地阻值下降到零(短路。這個時間為 t、t 為 1nS—10 nS,t 因 選擇的壓敏型號不同而不同)。而對多少電壓值(動作電壓)會開始阻值下降也是因選用的型號不同而不同,一般是型號 上的數值。比如:20K510 的壓敏電阻,則最大不動作電壓為 510V,可以查相關的電子元件資料,電子文檔文件路徑: Z:\研發中心\綜合組\陳大全。 壓敏電阻 RV1 在本電路中的作用 當輸入電表的電壓線上有帶高能量的短時高電壓時,壓敏電阻動作,使高電壓短路(A—N,三線為 A—B),達到保 護電表的目的。此處的高電壓不是由于錯誤接線產生的 380V 或 420V 之類的持續高壓,而是由于雷電或其他情況產生的 短時浪涌電壓。 壓敏電阻特別注意事項 壓敏電阻在動作時可以承受 1000A 甚至于 8000A 的電流(因型號不同而不同),但是不能持續工作在動作狀態(短 路狀態),因為壓敏電阻是一種耗盡型的電子元件,通俗地說就是“動作一次就少一次,直至最后燒毀”,如果壓敏電阻 一直工作在動作狀態(短路),那壓敏電阻會因為電流持續時間長而爆炸。最初的電子式電能表使用 380V 的動作電壓壓 敏電阻時,就有過電網發生接地故障(產生壓敏兩端一直有 380V 電壓)而使整條電網線路上的電子式電表壓敏電阻都 爆炸的事件。后來就用 420V 的,再后來又認為 420V 的還不保險,現在就用 510V 的。 2、 熱敏電阻 PTC1
熱敏電阻的工作原理 熱敏電阻在正常狀態下呈現一個固定的阻值[我們使用的熱敏電阻的型號中有(30Ω—60Ω)的標記,這個標記不是 指一個熱敏電阻的阻值在正常情況下可以在 30Ω—60Ω之間變化,而是指這一批的熱敏電阻的阻值在 30Ω—60Ω的范圍 內。],當通過熱敏電阻的電流達到一定值時(動作電流,因熱敏電阻的型號不同而不同),熱敏電阻的阻值會增大,按 照歐姆定律 I=U/R 的原理,使流過有熱敏電阻的回路中電流降低,保護此回路中的其他器件。 熱敏電阻 PTC1 在本電路中的作用 以上電路中,熱敏電阻和 T1 初級串聯,當輸入電壓正常時,此時熱敏電阻和 T1 初級串聯的回路中的電流為電表正 常的電流(因為國標要求電表單相功耗不能超過 2W,且要保證供電電路為電表提供足夠的工作電流,由 P=UI 可以得出 三相四線 220V 電表一般為 10 毫安左右),熱敏電阻處于正常狀態(固定的阻抗,因選擇的型號不同而不同)。當輸入電 壓變大時(一般是接地故障),熱敏電阻和 T1 初級串聯的回路中的電流也將變大,當此電流達到或超過熱敏電阻的動作 電流時,熱敏電阻將動作,熱敏電阻阻值會變大,而阻值變大的速度取決于此時電流的大小,電流越大,速度越快。當 熱敏的阻值變大時,由歐姆定律 I=U/R,可以得出整個回路的電流將變小,T1 初級得到保護。如果沒有熱敏電阻,T1 初 級的電流過大后,線圈會發熱,發熱的熱量會使 T1 的繞組(漆包銅線)上的絕緣漆熔化,從而導致 T1 繞組匝間短路, 最后燒毀 T1。如果變壓器本身能承受 420V 時的電流而不會燒毀(不會出現匝間短路),那是最好的,可以不用熱敏電阻。 并且,變壓器如果輸入端為 420V 時,變壓器次級輸出的電壓必須滿足:整流后的電壓值不能大于濾波電容的耐壓值和三 端穩壓塊的輸入極限電壓,這樣才不會損壞濾波電容和三端穩壓塊。 熱敏電阻特別注意事項 1、熱敏電阻的選型,必須達到電表正常工作時,熱敏電阻不能動作,這里有個問題是:當環境溫度變高時,熱敏電 阻的動作電流會變小。這種情況要注意:常溫 220V 電表可以工作,雖然高溫時電表工作的功耗電流和常溫一樣,但是 熱敏電阻的動作電流在高溫下已經改變為現在的電流甚至更低,高溫(比如 70 度)時 220V 可能熱敏電阻已經動作,電 表不工作了。所以熱敏電阻選型要滿足 1.2 倍正常電壓高溫不保護。要求 1.5 倍正常電壓下電表要工作時,則要滿足 1.5 倍正常電壓高溫不保護。 2、熱敏電阻的選型,最好(企業標準是必須)在動作后,電表能顯示并走字(精度可不要求)。這樣就要使熱敏動 作后達到:T1 初級與熱敏電阻分壓后,T1 初級的電壓仍然是 220V 左右,保證電表工作。這也是選型時要試驗后才能定 的。 3、三相三線的電表不需要熱敏電阻,因為三相三線的三根線無論如何錯接,其電壓差都不會變大,只是如果在調試 和使用中如果錯誤地接到了 220V 電壓上,電表的變壓器將被燒毀,所以高檔的三線電表或者客戶有要求的表還是加了 熱敏的。 4、57.7V 的四線表使用的熱敏動作電流比 220V 的要大(因為國標要求的功耗、電表本身需要的工作功率決定的), 工作原理與 220V 相同。 3、 變壓器 T1
變壓器的工作原理 變壓器是把漆包線繞在磁性材料上,繞好后,初級通電產生磁場,這個磁場旁邊的次級再感應出電壓,以此達到把 電壓改變的目的。其原理定理為:Uin/Uout=N1/N2;Iin/Iout=N2/N1,Uin 為輸入電壓,Uout 為輸出電壓,N1 為初級繞 組的匝數,N2 為次級繞組的匝數,Iin 為輸入電流(流過初級繞組的電流),Iout 為輸出電流(流過次級繞組的電流)。 變壓器 T1 在本電路中的作用 T1 初級 N12 加電壓 Uin :A—N(三線為 A—B),則在 T1 次級 N34 感應到一個電壓,我們設為 U34,在 N56 感應 到一個電壓,我們設為 U56。具體的電壓變化按照變壓器原理:Uin/Uout=N1/N2 進行計算,我們可以按照變壓器的型號 查看我公司的自制件文件,電子文檔文件路徑:Z:\研發中心\綜合組\陳大全\自制件文件,使用“搜索”功能查文件名關 鍵字可以很容易查到:比如查“TET35I01-220”,搜索“TET35I”就可以,然后在搜索的結果中尋找需要的型號。紙制的 文件在我公司下發技術文件的各個部門文員處。通過以上途徑我們可以知道變壓器的具體輸出電壓,可以知道繞組腳分 布情況,以便檢測變壓器是否損壞。因為對電表的安全性的要求(人身安全和設備安全),電表的試驗和實際使用中都會 要求電表的輸出端子必須和強電(既 A、B、C、N)隔離,而電表的端子中如果有 485 口,那么 485 電路的供電電源也 要和強電隔離:因為 485 口和 485 電源之間是不能做到要求的隔離強度的,既 485 口和 485 電源應該看做是等電位。U56 為供 485 電壓的次級電壓,U34 為供電表除 485 電路以外的電路的次級電壓,所以 N56 與初級、N56 與 N34 是隔離的, 按照國家標準 GB/T 17215,GB/T17883 的要求,必須滿足施加交流 4KV 電壓 60S 時間,N56 與初級之間漏電流不能超 過 1 毫安,N56 與 N34 之間漏電流也不能超過 1 毫安。 變壓器 T1 在本電路中的作用則是:1、輸出兩個次級電壓 U34 和 U56;2、U56 和 Uin 之間,U56 和 U34 之間必須 做到施加交流 4KV 電壓 60S 時間,漏電流不能超過 1 毫安。 變壓器特別注意事項 1、變壓器每個繞組都應該有一個固定的阻值(組成繞組的銅線決定:次級十幾歐姆到幾十歐姆左右,初級 1.5K 歐 姆左右。),如果是開路或者是短路都表示變壓器的這個繞組壞了,或者是變壓器繞組腳的分布與圖紙不符。 2、因為有三個變壓器供電,所以檢測電表時要做單相供電試驗。這里的單相供電和誤差測試時檢測單相電壓不是同 的:因為供電是一個電路,而電壓取樣是另外一個電路,兩者沒有任何聯系。既:能檢測到 A 相電壓只能表明 A 相電壓 采樣正常,不能表示 A 相供電正常;同樣,供電正常也不能表示采樣正常。且各相的供電和采樣都沒有關聯關系,需要 一個個地全面檢測,才能判斷所有相的供電和采樣是否正確。 4、 半波整流 D5
半波整流的工作原理
由于二極管是 PN 結組成的,具有單向導電性:P 到 N 的電壓為正(加正向電壓),且到一定值(二極管的閥值,硅 管:硅材料二極管為 0.6V—0.8V,鍺管:鍺材料二極管為 0.2V—0.3V)后二極管會呈現低阻抗狀態(導通),使電流通 過二極管。而 N 到 P 的電壓為正時(加反向電壓),二極管會呈現高阻抗狀態(開路),電流不能通過二極管。所以當有 一個正弦波通過一個硅二極管時將產生如下圖的波形變化:正弦交流電將成為一個斷續的只有正且大于 0.7V 的電壓,這 個電壓已不再是交流電壓,而是直流電。當然,只是一個斷續的、不穩定的直流電壓。
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