專利名稱：交直流通用電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
交直流通用電能表是計(jì)量電能的儀表，它適用于計(jì)量交流電路、直流電路以及各種脈沖波形電流電路的電能。而現(xiàn)在采用的交流電能表只適用連續(xù)函數(shù)關(guān)系的交流電流電路電能的計(jì)量。
背景技術(shù)：
由于歷史的原因，在設(shè)計(jì)交流電能表的年代，還沒有各種電子類設(shè)備用電器，也沒有對供電的電路直接采用整流的用電方式。因此各種用電器都是直接輸入連續(xù)的正弦波電壓和電流的設(shè)備，在這種條件下，電流互感器的變流比等于一次和二次線卷的匝數(shù)比，所以有下式成立。
I1N1＝I2N2這個(gè)關(guān)系式只適用在電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的條件時(shí)才成立，對于電路的過渡狀態(tài)時(shí)是不成立的。而電能表的電流線圈在鋁盤中產(chǎn)生的感生電流與交流電路的電流成線性比例關(guān)系，比例系數(shù)也是恒定不變的。所以在那樣的年代交流電能表計(jì)量電能是準(zhǔn)確的，制定的交流電能表的標(biāo)準(zhǔn)及校表規(guī)則也是正確的。
但是當(dāng)今世界已經(jīng)大量采用電子類及整流電路的用電器，整流電路的電流波形不是連續(xù)函數(shù)，而且總是處于電路的過渡過程中工作。經(jīng)長期觀察實(shí)際的整流電路的電流波形時(shí)發(fā)現(xiàn)交流電路的電流波形是一個(gè)梯形的平頂波，而不是正弦波形中的波峰形狀了，出現(xiàn)平頂?shù)臅r(shí)間段內(nèi)說明電流是直流時(shí)間段，直流時(shí)間段內(nèi)顯然電流互感器的變流比關(guān)系式不成立，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段的電流互感器磁路內(nèi)的磁通密度B值是恒定不變的，所以不能在二次線卷中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，同樣電能表中電流線卷也不能產(chǎn)生感生電流。整流電路交流側(cè)出現(xiàn)平頂波形電流與電路長短存在直接關(guān)系，變壓器到整流器的導(dǎo)線越長平頂波形的時(shí)間段越長，因此在實(shí)驗(yàn)室中校表時(shí)采用電流發(fā)生器是在連續(xù)的正弦波形下校驗(yàn)的，并沒有對整流電路專做校驗(yàn)。這是按電磁學(xué)理論認(rèn)為整流電路的交流側(cè)電壓仍具有交流性質(zhì)，由感應(yīng)定律知道，產(chǎn)生的磁通量也具有交流性質(zhì)，因此電流互感器二次電流及電能表電流線卷是不會出現(xiàn)平頂波形狀的電流。所以電磁學(xué)理論與實(shí)際觀察的結(jié)果相矛盾。
為了解決上述矛盾，采用量子力學(xué)及牛頓力學(xué)對宏觀電路中產(chǎn)生電流的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果得出了與電磁學(xué)不同的結(jié)論在宏觀電路中產(chǎn)生電流的定向運(yùn)動(dòng)的電子具有動(dòng)能，定向運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)能等于磁場能量，而磁場能量是存在于導(dǎo)線中，是以定向運(yùn)動(dòng)電子為載體的能量，磁場能量并非存在于空間磁路中。(見《量子化調(diào)速鼠籠電動(dòng)機(jī)》專利中說明書部分，申請?zhí)枮?00610045810.4)從而找到了整流電流出現(xiàn)平頂波形的理論依據(jù)，那就是穿過電流互感器的導(dǎo)線是整個(gè)電路中所有定向運(yùn)動(dòng)的電子的動(dòng)能，要比電流互感器中二次線卷的電子動(dòng)能大的倍數(shù)遠(yuǎn)比變流比的倍數(shù)大。因此電流是連續(xù)的正弦波形時(shí)，電流互感器中一次導(dǎo)線與二次線卷中電流變化速率是一致的，對于不連續(xù)的脈沖電流波形，電流上升速率是一致的，達(dá)到峰值后下降時(shí)，二次導(dǎo)線中電子動(dòng)能很快下降為0，一次導(dǎo)線中電子動(dòng)能數(shù)量巨大，使電流下降速率在一小段時(shí)間內(nèi)變?yōu)?，而成為電流值不下降的平頂波，于是在這小段時(shí)間內(nèi)電流互感器不遵守變流比等于 的規(guī)律了。特別是實(shí)際整流線路中的一次導(dǎo)線是低壓供電變壓器二次線卷與低壓線到整流器的距離較長，不像實(shí)驗(yàn)室中是從調(diào)壓器到整流器的導(dǎo)線較短，因此實(shí)際的整流器平頂波形區(qū)間較大，在平頂時(shí)間內(nèi)互感器二次電流值小于變比值，電度表電流線卷也同樣存在平頂波時(shí)間段，無法在鋁盤產(chǎn)生感應(yīng)電流而正確計(jì)量電能。電子式電能表仍按機(jī)械式電能表校驗(yàn)，而且輸入端及電子電能表中仍采用電流互感器，因此電子式電能表也無法準(zhǔn)確計(jì)量電能。整流電路及電子設(shè)備影響交流電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性是有隨機(jī)性的，由于電路電感或?yàn)V波電容等器件的配置都會使電流互感器及電能表電流線卷中電流波形受不同的影響，所以對交流電能表計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生隨機(jī)性影響。這個(gè)問題并沒有引起供電部門及計(jì)量部門的重視。其實(shí)交流電能表對電子設(shè)備少計(jì)算了電能不僅使供電部門少收取了電費(fèi)外，還對電子設(shè)備的工作效率作出了不正確的結(jié)論，將效率低的產(chǎn)品錯(cuò)誤的認(rèn)為是效率高的產(chǎn)品進(jìn)行推廣了，這給節(jié)電幫了倒忙。本發(fā)明提供一種可以準(zhǔn)確計(jì)量電能的交直流通用電能表。
實(shí)質(zhì)性技術(shù)內(nèi)容變壓器或互感器都是靠磁通量的變化率使一次和二次線卷產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢來傳輸能量的，因此當(dāng)磁通是恒定值不變化時(shí)就不能相互傳輸能量了。而電流與磁通量同時(shí)變化，所以磁通量的變化率是由一次線卷電流的變化產(chǎn)生的，電流值是恒定不變值時(shí)，磁通量也是恒定不變值，所以電流與磁通量成正比，比例系數(shù)為電感系數(shù)L值。當(dāng)磁路的磁通密度B在線性區(qū)間內(nèi)的磁導(dǎo)率μ是常數(shù)，因此該區(qū)間內(nèi)L值是常數(shù)，所以霍爾電流傳感器可以測量交流和直流電流以及各種脈沖電流值，不會出現(xiàn)像電流互感器那樣在直流電流區(qū)間段計(jì)量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象存在。但是霍爾電流互感器的測量電流范圍小，超過該范圍時(shí)L值發(fā)生變化，使B發(fā)生變化而不能準(zhǔn)確測出電流值了，這就是電能表仍然采用電流互感器的原因。
為了克服霍爾電流傳感器測量電流范圍小的缺點(diǎn)，在霍爾電流傳感器的磁路中增加一個(gè)二次短路環(huán)，短路環(huán)的安匝數(shù)導(dǎo)電截面積大于或等于一次導(dǎo)線的截面積，這樣就將電流互感器過載能力強(qiáng)測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)加在霍爾電流傳感器了，而霍爾電流傳感器可以同時(shí)測量交、直流電流以及各種脈沖電流的優(yōu)點(diǎn)保持不變。在磁路中增加短路環(huán)的方法要比在磁路中增加氣隙的方法線性度好，而且擴(kuò)大過載能力及測量范圍也較大。
電壓互感器是由電源電壓使磁路的磁通量或磁通密度B產(chǎn)生變化率的，因此不會像電流互感器那樣受電子設(shè)備影響而出現(xiàn)不連續(xù)的正弦波形。即使電壓波形發(fā)生畸變，存在平頂電壓波形的情況時(shí)，電壓互感器在磁路飽合前仍可使磁通量線性上升或下降，不會改變一次和二次電壓互感器的變比關(guān)系。值得指出的是電流波形畸變會引起電壓波形的畸變，不能采用電子設(shè)備改變供電電壓的波形達(dá)到節(jié)電的目的。電源電壓波形畸變現(xiàn)象正是用電設(shè)備在不同時(shí)間段消耗電流值不同引起的，在電壓高時(shí)對應(yīng)的電流值較大，使電壓波形畸變，如果采用電子設(shè)備將電壓波形整形為按正弦規(guī)律變化的，這就相當(dāng)于將電壓較低時(shí)的電流移到電壓較高時(shí)了，例如企業(yè)中同時(shí)采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)時(shí)，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)使用整流電源，而交流電動(dòng)機(jī)使用交流電源，疊加后電流和電壓的波形將發(fā)生畸變，電能總表同樣會少計(jì)量真實(shí)的電能，如果在采用人為的電子設(shè)備對電壓整形為正弦波形，就會使電能表更少的計(jì)量真實(shí)的電能，因此會使電能表計(jì)量電能產(chǎn)生錯(cuò)誤。因?yàn)橥鹊碾娏髦翟陔妷狠^高時(shí)間段產(chǎn)生的功率大于在電壓較低時(shí)間段的功率，所以當(dāng)有電子設(shè)備用電時(shí)不能用平均的電流有效值與電壓有效值的乘積來計(jì)量電能了。
應(yīng)該以電壓為基準(zhǔn)，將半周期分為幾百個(gè)小時(shí)間段，取每個(gè)小時(shí)間段的電壓及電流瞬時(shí)值相乘后再與每小段時(shí)間相乘后累加起來計(jì)量電能，電流與電壓反方向時(shí)是回饋電能，輸出電能減去回饋電能等于有功電能。這樣才能避免因電流不連續(xù)而出現(xiàn)脈沖電流的情況下，使電流值與同時(shí)間電壓值不致于錯(cuò)位。由于電子開關(guān)管可以控制電容器充電時(shí)間，在低電壓充電后，將電壓上舉，在高電壓時(shí)放電，就會改變電壓波形，從而使現(xiàn)有交流電能表無法準(zhǔn)確計(jì)量電能。因此應(yīng)采用電壓和電流的瞬時(shí)值的乘積與該瞬時(shí)值時(shí)間乘積的分段電能進(jìn)行累加，瞬時(shí)電壓和電流值同符號時(shí)將所得累加值減去瞬時(shí)電壓和電流反符號累加值后得有功電能。
實(shí)施例單相電度表將帶短路環(huán)的霍爾電流傳感器直接封裝在電能表內(nèi)，給霍爾器件提供恒定電流值，使電源線直接成為霍爾電流傳感器的一次線卷，這樣可直接測出電源電流值。例如將每10微秒作為一個(gè)時(shí)間段，每10微秒同時(shí)測出電源電壓U與電流值I和時(shí)間10微秒相乘后累加。電壓和電流同時(shí)為正式或同時(shí)為負(fù)時(shí)(符號相同)為正值，電壓與電流符號相反(分別為正、負(fù))為負(fù)值，累加后所得是有功電能。電壓與電流符號相反時(shí)單獨(dú)累加后乘以2所得是無功電能。電源電壓接入電能表，電壓降壓器可由分壓電阻降壓后或經(jīng)電壓傳感器降壓后供芯片直接測量，抗干擾能力應(yīng)足夠強(qiáng)，將測量間隔時(shí)間記為t，電壓瞬時(shí)值記為U，同時(shí)對應(yīng)電壓U測量時(shí)間的電流瞬時(shí)值記為I，(U、I分別帶有正、負(fù)符號)，有功電能Qw及無功電能Q分別由下式給出Qw＝∑UIt………………(1)Q＝∑-2(UI)t………………(2)累加時(shí)遇到停電時(shí)，應(yīng)可靠的將累加值存儲起來，送電后接著連續(xù)累加。電壓和電流值應(yīng)同時(shí)測量進(jìn)行計(jì)算。時(shí)間段t當(dāng)然越小越精確，這要由芯片的測量及計(jì)算速度來確定。
三相電能表可采用三個(gè)單相電能表分別累加后將每個(gè)單相電能表的累加值相加后作為三相電能表的計(jì)量值。
當(dāng)然電流較小的電能表可以采用不帶短路環(huán)的霍爾電流傳感器，測量與計(jì)算電能和上述方法相同。
權(quán)利要求
1.交直流通用電能表由帶短路環(huán)的霍爾電流傳感器和電源電壓降壓器及測量計(jì)算芯片構(gòu)成，電能表必須由電源供電導(dǎo)線直接構(gòu)成霍爾電流傳感器的一次激磁線卷，芯片同時(shí)對電壓U和電流I進(jìn)行測量，每次測量間隔時(shí)間為t，有功電能Qw及無功電能Q分別由下面累加關(guān)系式給出Qw＝∑UItQ＝∑-2(UI)t電流較小的電能表可以采用不帶短路環(huán)的霍爾電流傳感器。
全文摘要
交直流通用電能表適用于交流、直流以及各種脈沖電流波形的電路準(zhǔn)確計(jì)量電能，而交流電能表是依據(jù)正弦波形的連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)的計(jì)量電能儀表，對于平頂脈沖波形電流在平頂時(shí)間段內(nèi)無法產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，造成交流電能表計(jì)量的不準(zhǔn)確性，而交直流通用電能表無此缺點(diǎn)。
文檔編號G01R11/00GK1811465SQ20061004591
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者王有元 申請人:王有元