专利名称：交直流通用电能表的制作方法
技术领域：
交直流通用电能表是计量电能的仪表，它适用于计量交流电路、直流电路以及各种脉冲波形电流电路的电能。而现在采用的交流电能表只适用连续函数关系的交流电流电路电能的计量。
背景技术：
由于历史的原因，在设计交流电能表的年代，还没有各种电子类设备用电器，也没有对供电的电路直接采用整流的用电方式。因此各种用电器都是直接输入连续的正弦波电压和电流的设备，在这种条件下，电流互感器的变流比等于一次和二次线卷的匝数比，所以有下式成立。
I1N1＝I2N2这个关系式只适用在电路进入稳定状态后的条件时才成立，对于电路的过渡状态时是不成立的。而电能表的电流线圈在铝盘中产生的感生电流与交流电路的电流成线性比例关系，比例系数也是恒定不变的。所以在那样的年代交流电能表计量电能是准确的，制定的交流电能表的标准及校表规则也是正确的。
但是当今世界已经大量采用电子类及整流电路的用电器，整流电路的电流波形不是连续函数，而且总是处于电路的过渡过程中工作。经长期观察实际的整流电路的电流波形时发现交流电路的电流波形是一个梯形的平顶波，而不是正弦波形中的波峰形状了，出现平顶的时间段内说明电流是直流时间段，直流时间段内显然电流互感器的变流比关系式不成立，因为这个时间段的电流互感器磁路内的磁通密度B值是恒定不变的，所以不能在二次线卷中产生感应电动势，同样电能表中电流线卷也不能产生感生电流。整流电路交流侧出现平顶波形电流与电路长短存在直接关系，变压器到整流器的导线越长平顶波形的时间段越长，因此在实验室中校表时采用电流发生器是在连续的正弦波形下校验的，并没有对整流电路专做校验。这是按电磁学理论认为整流电路的交流侧电压仍具有交流性质，由感应定律知道，产生的磁通量也具有交流性质，因此电流互感器二次电流及电能表电流线卷是不会出现平顶波形状的电流。所以电磁学理论与实际观察的结果相矛盾。
为了解决上述矛盾，采用量子力学及牛顿力学对宏观电路中产生电流的电子运动规律进行了研究，结果得出了与电磁学不同的结论在宏观电路中产生电流的定向运动的电子具有动能，定向运动电子的动能等于磁场能量，而磁场能量是存在于导线中，是以定向运动电子为载体的能量，磁场能量并非存在于空间磁路中。(见《量子化调速鼠笼电动机》专利中说明书部分，申请号为200610045810.4)从而找到了整流电流出现平顶波形的理论依据，那就是穿过电流互感器的导线是整个电路中所有定向运动的电子的动能，要比电流互感器中二次线卷的电子动能大的倍数远比变流比的倍数大。因此电流是连续的正弦波形时，电流互感器中一次导线与二次线卷中电流变化速率是一致的，对于不连续的脉冲电流波形，电流上升速率是一致的，达到峰值后下降时，二次导线中电子动能很快下降为0，一次导线中电子动能数量巨大，使电流下降速率在一小段时间内变为0，而成为电流值不下降的平顶波，于是在这小段时间内电流互感器不遵守变流比等于 的规律了。特别是实际整流线路中的一次导线是低压供电变压器二次线卷与低压线到整流器的距离较长，不像实验室中是从调压器到整流器的导线较短，因此实际的整流器平顶波形区间较大，在平顶时间内互感器二次电流值小于变比值，电度表电流线卷也同样存在平顶波时间段，无法在铝盘产生感应电流而正确计量电能。电子式电能表仍按机械式电能表校验，而且输入端及电子电能表中仍采用电流互感器，因此电子式电能表也无法准确计量电能。整流电路及电子设备影响交流电能表计量的准确性是有随机性的，由于电路电感或滤波电容等器件的配置都会使电流互感器及电能表电流线卷中电流波形受不同的影响，所以对交流电能表计量准确性产生随机性影响。这个问题并没有引起供电部门及计量部门的重视。其实交流电能表对电子设备少计算了电能不仅使供电部门少收取了电费外，还对电子设备的工作效率作出了不正确的结论，将效率低的产品错误的认为是效率高的产品进行推广了，这给节电帮了倒忙。本发明提供一种可以准确计量电能的交直流通用电能表。
实质性技术内容变压器或互感器都是靠磁通量的变化率使一次和二次线卷产生感应电动势来传输能量的，因此当磁通是恒定值不变化时就不能相互传输能量了。而电流与磁通量同时变化，所以磁通量的变化率是由一次线卷电流的变化产生的，电流值是恒定不变值时，磁通量也是恒定不变值，所以电流与磁通量成正比，比例系数为电感系数L值。当磁路的磁通密度B在线性区间内的磁导率μ是常数，因此该区间内L值是常数，所以霍尔电流传感器可以测量交流和直流电流以及各种脉冲电流值，不会出现像电流互感器那样在直流电流区间段计量不准确的现象存在。但是霍尔电流互感器的测量电流范围小，超过该范围时L值发生变化，使B发生变化而不能准确测出电流值了，这就是电能表仍然采用电流互感器的原因。
为了克服霍尔电流传感器测量电流范围小的缺点，在霍尔电流传感器的磁路中增加一个二次短路环，短路环的安匝数导电截面积大于或等于一次导线的截面积，这样就将电流互感器过载能力强测量范围宽的优点转加在霍尔电流传感器了，而霍尔电流传感器可以同时测量交、直流电流以及各种脉冲电流的优点保持不变。在磁路中增加短路环的方法要比在磁路中增加气隙的方法线性度好，而且扩大过载能力及测量范围也较大。
电压互感器是由电源电压使磁路的磁通量或磁通密度B产生变化率的，因此不会像电流互感器那样受电子设备影响而出现不连续的正弦波形。即使电压波形发生畸变，存在平顶电压波形的情况时，电压互感器在磁路饱合前仍可使磁通量线性上升或下降，不会改变一次和二次电压互感器的变比关系。值得指出的是电流波形畸变会引起电压波形的畸变，不能采用电子设备改变供电电压的波形达到节电的目的。电源电压波形畸变现象正是用电设备在不同时间段消耗电流值不同引起的，在电压高时对应的电流值较大，使电压波形畸变，如果采用电子设备将电压波形整形为按正弦规律变化的，这就相当于将电压较低时的电流移到电压较高时了，例如企业中同时采用变频调速电动机和普通电动机时，变频调速电动机使用整流电源，而交流电动机使用交流电源，叠加后电流和电压的波形将发生畸变，电能总表同样会少计量真实的电能，如果在采用人为的电子设备对电压整形为正弦波形，就会使电能表更少的计量真实的电能，因此会使电能表计量电能产生错误。因为同等的电流值在电压较高时间段产生的功率大于在电压较低时间段的功率，所以当有电子设备用电时不能用平均的电流有效值与电压有效值的乘积来计量电能了。
应该以电压为基准，将半周期分为几百个小时间段，取每个小时间段的电压及电流瞬时值相乘后再与每小段时间相乘后累加起来计量电能，电流与电压反方向时是回馈电能，输出电能减去回馈电能等于有功电能。这样才能避免因电流不连续而出现脉冲电流的情况下，使电流值与同时间电压值不致于错位。由于电子开关管可以控制电容器充电时间，在低电压充电后，将电压上举，在高电压时放电，就会改变电压波形，从而使现有交流电能表无法准确计量电能。因此应采用电压和电流的瞬时值的乘积与该瞬时值时间乘积的分段电能进行累加，瞬时电压和电流值同符号时将所得累加值减去瞬时电压和电流反符号累加值后得有功电能。
实施例单相电度表将带短路环的霍尔电流传感器直接封装在电能表内，给霍尔器件提供恒定电流值，使电源线直接成为霍尔电流传感器的一次线卷，这样可直接测出电源电流值。例如将每10微秒作为一个时间段，每10微秒同时测出电源电压U与电流值I和时间10微秒相乘后累加。电压和电流同时为正式或同时为负时(符号相同)为正值，电压与电流符号相反(分别为正、负)为负值，累加后所得是有功电能。电压与电流符号相反时单独累加后乘以2所得是无功电能。电源电压接入电能表，电压降压器可由分压电阻降压后或经电压传感器降压后供芯片直接测量，抗干扰能力应足够强，将测量间隔时间记为t，电压瞬时值记为U，同时对应电压U测量时间的电流瞬时值记为I，(U、I分别带有正、负符号)，有功电能Qw及无功电能Q分别由下式给出Qw＝∑UIt………………(1)Q＝∑-2(UI)t………………(2)累加时遇到停电时，应可靠的将累加值存储起来，送电后接着连续累加。电压和电流值应同时测量进行计算。时间段t当然越小越精确，这要由芯片的测量及计算速度来确定。
三相电能表可采用三个单相电能表分别累加后将每个单相电能表的累加值相加后作为三相电能表的计量值。
当然电流较小的电能表可以采用不带短路环的霍尔电流传感器，测量与计算电能和上述方法相同。
权利要求
1.交直流通用电能表由带短路环的霍尔电流传感器和电源电压降压器及测量计算芯片构成，电能表必须由电源供电导线直接构成霍尔电流传感器的一次激磁线卷，芯片同时对电压U和电流I进行测量，每次测量间隔时间为t，有功电能Qw及无功电能Q分别由下面累加关系式给出Qw＝∑UItQ＝∑-2(UI)t电流较小的电能表可以采用不带短路环的霍尔电流传感器。
全文摘要
交直流通用电能表适用于交流、直流以及各种脉冲电流波形的电路准确计量电能，而交流电能表是依据正弦波形的连续函数的数学模型为依据的计量电能仪表，对于平顶脉冲波形电流在平顶时间段内无法产生感应电动势，造成交流电能表计量的不准确性，而交直流通用电能表无此缺点。
文档编号G01R11/00GK1811465SQ20061004591
公开日2006年8月2日 申请日期2006年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者王有元 申请人:王有元