全电子功率计和电能表

AD775x系列电能测量集成电路接受代表电力系统中本地电压和电流的电压输入，并使用过采样模数转换器将其转换为数字输入。片上数字处理器连续计算两个信号的乘积，该乘积与瞬时功率成正比。AD775x系列中每种类型特有的输入调理、滤波、深处理和其他特性为各种电源系统应用提供了计量解决方案。

例如，该系列中最通用的成员AD7750（图1）对计算产品进行低通滤波，然后使用数频转换输出一对与瞬时实际功率成比例的互补脉冲序列（用于驱动计数器或两相步进电机）以及适合校准和测试的更高频率输出。

图1.AD7750在测量单相有功功率的典型应用中的功能框图。

功率测量方面的进展

在继续讨论系统应用及其功能之前，让我们考虑一下电气行业功率测量的最新进展。

与许多其他重工业一样，电力公司近年来对复杂电子产品的熟悉程度大大提高。例如，由于一些国家的权力下放和另一些国家的放松管制鼓励客户拥有更大的发言权，电子设备取代长期使用的机电仪表的比率预计将迅速增加。能源生产者和消费者都可以从电子电表中受益匪浅。

典型的仪表将与瞬时电压和电流成比例的信号转换为数字信号，然后计算平均和瞬时有功功率、无功功率、有功电能等，并串行传输信息。

通过远程和自动抄表以及高效的数据管理，改善客户服务。除了收到更可信的水电费账单外，消费者还可以从更可靠的配电中受益。当客户电表通过网络通信时，可以更快地检测、识别和纠正停电。

如果降低系统中所需的峰值功率与平均功率之比，则随之而来的所需发电能力的减少将减少环境干扰和污染。尽管人口增长，但多费率计费提供的激励措施将有助于大大减少高峰使用量。通过监测单个用电设备施加的电能质量污染（例如，过度无功功率、非线性负载、直流偏移）来保持配电清洁度。通过安装智能卡控制的电表，消费者可以从更低的电费中受益，从而降低提供服务、抄表和处理数据的运营成本。

电子仪表可以精确计算功率，不受非线性负载引起的相移和波形失真的影响;此外，在配电网络上流行的固定负载调节方案存在的情况下，机电仪表无法准确测量能量。因此，在这些条件下，电子测量更加稳健和准确。

既然电子式电能表在功能和性能方面优于机电式电能表，那么它们在成本和可靠性方面如何叠加？竖起大拇指！ADI公司凭借其在为军事、航空航天和大批量消费类产品大量供应模拟、数字和混合信号集成电路方面享有盛誉的公司进入这一领域，有望实现业界一直在等待的高可靠性和低成本电子产品之间的成功结合。认识到单相电表的成本限制，ADI公司已经确定了一个机会，可以帮助电表制造商满足其体积要求，同时实现其成本目标并缓解其可靠性问题。

自动抄表、智能卡预付费和多重费率计费等未来的可能性将发挥重要作用，但实际准确可靠的能源测量，无论是真实的还是无功的，是进步能源供应商和分销商的主要关注点。电子测量可减少制造投资，提高测量精度和质量，并增加及时的信息，这些优势远远超出了传统的转子板式电能表设计。

数字信号处理器和微控制器

电子电能表的首次尝试通过在模拟域中乘以电流和电压来获得功率，但事实证明，温度和时间的线性度并不比机电仪表好。数字计算的自动错误检测/校正所提供的稳定性、线性度和准确性已经席卷整个通信行业，现在已经到了电力计量的大门。基于数字信号处理 （DSP） 的产品对已通过片上模数转换器 （ADC） 数字化的电流和电压信号执行乘法和其他计算。尽管环境变化，但以数字方式处理信号可随着时间的推移提供稳定和准确的计算。

虽然可编程DSP以低成本广泛提供，并提供一定程度的灵活性，但处理电功率测量的最具成本效益的形式可能是使用低成本固定功能（嵌入式）DSP，带有片上A/D转换器，用于测量和计算，以及相关的微控制器来处理编程任务以及通信和显示的简单计算。DSP 不断转换、采样和计算瞬时功率和平均功率。

例如，在过去一年中，使用4 MHz，4位微处理器制造了许多不同的电能表设计。这种微控制器在管理一些内务管理功能时允许有限程度的可配置性，例如数据加密和解调、多费率计费的时间戳以及能源输送智能（断电检测、远程断开连接、预付款、负载管理）。微处理器允许用户选择他们想要的服务级别，并且公用事业可以远程配置单个仪表。

标准产品

为电能测量而设计的不断增长的标准产品系列不仅消除了与机电电能表相关的高制造投资;它还大大减少了开发ASIC（专用集成电路）的需求。标准产品以较低的共享成本结合了众多不同客户的常见问题解决方案。电子电表制造商在寻求优化测量选择的整体成本效益时应考虑的因素包括精度、硬件、软件、开发成本、上市时间和易于实施。

如表所示，ADI公司不断壮大的固定功能DSP系列可满足全球各种系统考虑因素。该系列组件的选择取决于给定系统所需的仪表类型。

表 1.集成功率计 IC

 

	AD7750	AD7751	AD7755	AD7756	单相 VA 和 VAR	三相 VA 和 VAR
阶段
单相，2线	°	°	°	°	°
两相或单相，3线	°		°	°	°
三相，3线或4线（星形或三角形负载）			°	°	°	°
接口
微欧分流器和电流互感器		°	°	°	°	°
毫欧分流器和电流互感器	°	°	°	°	°	°
输出
高频脉冲	°	°	°	°	°	°
真正的力量	°	°	°	°	°	°
低频互补脉冲	°	°	°
外部校准	°	°	°
内部校准				°	°	°
容错计费		°
过零逻辑输出（频率）				°	°	°
中断请求输出				°	°	°
串口接口				°	°	°
视在和无功功率、电压、电流					°	°
封装选项
20-PDIP 和 20-SOIC	°			°		°
24-PDIP 和 24-SSOP		°	°		°
样品	现在	现在	现在	99年8月	2000	99年11月

 

该系列首款AD7750设计用于直接驱动步进电机计数器，将功率与能量集成在一起。在成本方面，步进电机计数器在发展中国家很受欢迎，因为它是制造廉价固态电能表的实用方法。断电时，计数器会停止转动。其他解决方案，如发光二极管（LED）显示器或液晶显示器（LCD），需要高引脚数驱动器和在断电期间存储读数的方法。

接下来的系列产品具有串行端口接口，用于与微处理器进行双向通信。即将推出的产品将通过解决电源、电流传感器、振荡器和外部增益校准的成本来帮助降低电表的成本。最终，与电表制造商和公用事业公司的密切合作将产生一种高度集成的设备，旨在提供大量功能，同时满足激进的成本目标。

AD7750集成了两个16位模数转换器和测量电能所需的数字信号处理逻辑。除了A/D转换器和基准电路中的模拟电路外，所有其他信号处理（例如乘法和滤波）都在数字域中进行。这种方法在极端环境条件和时间推移中提供了卓越的稳定性和准确性。Σ-Δ转换器以900 kHz的过采样速率工作，简化了抗混叠，可将来自电流和电压传感器的电压信号数字化。电流通道具有宽动态范围和可编程增益，可处理与各种电流-电压传感器的直接连接，这些传感器通常具有低端电压。高通滤波器从电流通道中去除任何直流，从而消除了失调电压可能引入实际功率计算的不准确性。

实际功率是根据瞬时功率信号计算得出的，瞬时功率信号是通过将电流和电压信号相乘产生的。可以将高通滤波器切换到当前通道的信号路径，以消除任何失调。低通滤波可降低线路频率谐波并提取有功功率（即直流）分量。这种方法可以正确计算实际功率，即使使用非正弦电流和电压波形以及任何功率因数也是如此。数字信号处理（乘法、滤波等）可确保温度和时间范围内的高稳定性。

该芯片还包含两个数频转换器;一个具有低频输出，另一个具有高频输出。在这两种情况下，数频转换器的输出脉冲率随实际功耗值随时间变化而变化。该芯片提供一系列输出频率，可由设计人员选择，以适应大多数仪表。低频输出由于脉冲之间的累积时间长，其频率与平均有功功率成正比。高频输出具有较短的累积时间，与瞬时有功功率成正比。因此，高频输出可用于在稳定负载条件下校准仪表。

具有片上故障检测功能的能量计量IC

AD7751是一款精确的容错电能测量IC，适用于双线配电系统。该器件采用新颖的故障检测方案，既能发出故障情况警告，又允许AD7751在发生故障事件时继续准确计费。它通过连续监控相位和零线（返回）电流来实现这一点。当这些电流相差超过12.5%时，表示故障，并使用两个电流中较大的一个继续计费。

带脉冲输出的能量计量IC

AD7755内核与AD7751引脚兼容，但不包括容错计费功能。它还设计使其可用于具有 2 根以上电线的系统，包括 2 相和 3 相系统。

审核编辑：郭婷