用AD7755设计的低成本电能表

概述

本文介绍了用美国Analog Devices Inc.（ADI）公司生产的AD7755设计的一种低成本、高精度电能表。本电能表是为单相。两线制系统设计的，但也容易适合特殊地区的设计要求，例如美国的配电系统通常要求居民电表采用单相、三线制系统。

采用AD7755设计电子式电能表是一种电能测量的低成本单片解决方案。AD7755内部包含两路模数转换器（ADC），一个基准电压源和用来计算有功功率的全部信号处理电路。AD7755还包含直接驱动机电式计度器（即电能记录器）的数字频率转换器（F1、F2）和用于校验和通信的高频脉冲输出电路（CF）。

有关AD7755功能请参考脉冲输出的电能计量集成电路活而资料。

表1 精度要求

注：1.表1中示出的规定精度的电流范围都用基本电流（Ib）表示。根据IEC1036（1996-09）标准3.5.1.1节规定，Ib是指与一个直接连接的电表相关性能一致的电流值。最大电流（Imax）是指保持规定精度的最大电流。
    2.表1中列出的功率因数（PF）表征了基波（45-65Hz）电压与电流波形之间的相位关系。在这种情况下PF简单定义为PF=cos（φ）φ，其中表示纯正弦电流和电压之间的相位角。
    3.根据IEC1036（1996-09）标准的3.5.5节，电表等级定义为百分比误差的范围。百分比误差定为：百分比误差=(测量值-真值)/真值100%

设计目的

按照1级和2级交流有功功率电能表国际标准IFC1036（1996-09），作为本设计的主要依据。对于比较熟悉ANSIC12.6标准的读者，请见本文最后一节"ANSI C12.16与ICE1036标准比较"，本节只对与ANSI相对应的IEC10236标准的主要内容作一些解释。

为满足多种情况下的精度要求，例如功率因数（PF）等于1时的精度要求和PF较低（PF=±0.5)时精度要求，设计技术指标应该远远高过基本技术指标。另外电能表的动态范围也超过500。IEC1036标准规定在5%Ib-Imax电流范围内达到规定的精度要求，见表流范围内达到规定的精度要求，见表1。Imax的典型值是Ib的400%～600%。表1列出了静态电能表的精度要求。对应一家精度的电流范围（动态范围）都用基本电流（Ib)表示

图1示了邮用AD7755设计的一种简单、低成本电能表工作原理图。为了给AD7755提供必要的电流电压转换，本设计采用分流器，并且为衰减线电压采用了简单的分压网络。电能记录器（kWh)是川用两相步进电机构成的简单机电式计度器。AD7755的F1、F2引脚能够直接驱动这种计度器，CF引脚还可提供仪表常数为3200imp/kWh（脉冲数/千瓦小时）的高频输出，所以这种高频输出可用LED和光电耦合器输出。这种高频输出还可以加快电表的校验过程，从而为生产电表提供本种快捷的校验方法。本设计利用电阻网络R5-R4改变线电压的衰减来校验电表。

设计原理

AD7755产生的输出频率与两个输入电压信号乘积的时间平均值 成正比。加在AD7755上的输入电压值为V1和V2。有关AD7755的详细功能已在AD7755活页资料中做了介绍，见"工作原理"一节。该活页资料提供了计算输出频率F1和F2（驱动计度器）的计算公式，它们与输入电压信号的有效值V1和V2的乘积成正比。为方便起见，这里重新给出公式（1）。为了将电能表校验到一个固定常数，用公式（1）对V2值进行标定。

F=(8.06×V1×V2×G×F1-4）/VREF2    （1）

其中F为引脚F1，F2输出的脉冲频率，F1-4是由主时钟获得分频，G为增益，VREF为基准电压。

图1示出的电表工作条件，线电压为220V，最大电流（Imax)为40A。然而，只要正确标定通道1和通道2的输入信号，就能设计出工作于任何线电压和最大电流的电能表。

AD7755有4种频率选择方式适合这类电表（即直接驱动计度器），Imax高达120A。当这类表的Ib选为5A时，规定精度的电流范围为2%Ib～Imax，或动态范围为400（即100mA～40A)机电式计度器的电表常数为100imp/kWh，即要记录1kWh的电能要求AD7755发出100个脉冲。IEC1036标准4.2.11节规定机电式记录器从最低位起按十进制计数，每位都是逢十进一。因此计度器采用5位整数1位小数显示方式，即最高位的1对应10,000，较低位依次对应1000，100，10，1，最低位对应1/10。供校验和测试用的仪表常数选做3200imp/kWh。