基于PL3223的三相电能表设计计算方法

发布于：2006/11/1 9:07:33 | 553 次阅读

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摘要：详细叙述了采用PL3223专用数字电能表芯片设计三相电能表过程中的相关参数设计计算方法，并结合具体实例给出了测试验证结果。

　　关键词：PL3223 三相电能表计量设计

0 引言

　　随着用户用电负荷的增加，三相电能表的使用范围得到了扩大；同时对供电质量要求的提高，供电部门需要了解用户的各种用电参数，如功率、电压、电流、频率等，这使得三相电能测量专用IC获得了快速发展，从国外的ADI公司到国内各芯片厂家，都先后推出了各自的专用三相电能计量IC。专用电能计量IC提供了高和高稳定的技术指标，简单的外围电路设计也大大降低了生产成本。

　　PL3223是一款推出的三相数字电能表集成专用计量芯片，采用专用硬件电路设计实现：包括多路高A/D、可编程增益放大器（PGA）、Hilbert滤波器等；具备齐全的多功能电参数测量，适用于各类多功能三相电能表方案。

1. 芯片计量特性介绍

　　PL3223内部集成有二阶Σ-Δ ADC, 参考电压源, 温度传感器, 电源检测，有功/无功电能计量、电压/电流有效值、频率测量的数字信号处理模块。单5V供电，晶体专配为9.6M。

1.1 PL3223管脚

　　 PL3223支持SPI接口，具有有功、无功功率脉冲输出, 带有可自定义分频比的字轮驱动脉冲输出；芯片采用QFP44 引脚封装，主要管脚见表1（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期）。

1.2 计量特性

　　PL3223芯片的计量标准符合IEC678/61036、GB/T 17882有关规定；主要计量特性如下：

　　（1）在1000:1的动态范围内，有功电能计量误差小于0.1%，无功误差小于0.2%

　　（2）无功电能计量测量至21次谐波

　　通过SPI总线，实现与MCU的接口，芯片内部提供电能的多个参数量，如电网频率、电压/电流有效值、断相/欠压/过压告警、三相电压/电流的实时采样值。

　　PL3223支持电阻网络校表；同时提供全数字的校准功能，配合单片机可以完成高效精密的校准任务。

2 三相电能计量设计方法

　　三相电能表根据使用条件，分为互感器式、直入式。对于大电流用户，采用外接互感器，按标准其电流输出为5A；相应三相电能表为最常见的互感器式、电流规格1.5/6A。

2.1 三相电能计量的设计条件

　　（1）电压规格：220V/380V，三相四线

　　（2）电流规格：1.5/6A，及基本电表为1.5A，电流6A

2.2 选择PL3223作为主计量芯片，根据设计要求初步选定的条件

　　（1）三相四线模式：TF=0

　　（2）选用各相电能代数和模式：MOD=0

　　（3）三相电流输入：电流6A时，输入信号为Vrms=200mv，保证一定的电流过载能力

　　（4）三相电压输入：220V时，输入信号为Vrms=180mv，保证120%Ue时的计量线性度

2.3 三相电流二次互感器选择

　　电表的二次互感器选择：1.5-6A/5mA，20欧姆负载，精密度0.1级；电流取样参考图1(略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期)。

　　其中RA1、RA2为电流回路的取样电阻，必须选择误差1%、温度系数±100ppm/℃的精密电阻；RA3、RA4为输入电阻，阻值为1K；CA1、CA2为互感器相差补偿电容。取样电阻值选择为4.3Ω，计算结果见表2

表2 电流取样电路取值

计算公式	额定电流I_b	电流4*I_b	过载6倍
V_i=R_I，V_i为电流输入有效值 R=2*4.3=8.6欧姆	5mA， V_i=43 mV	20mA， V_i=172mV	30mA， V_i=258mV

　　电流取样设计基本可以满足6倍额定电流的线性度。

2.4 有功脉冲输出频率CF

　　根据电能计量原理，CF计算公式：

CF=3 K*U_n*I_b/1000/3600 （1）

其中：U_n：额定相电压值(V)， I_b：额定相电流值(A)， K：电表脉冲常数

取K=3200imp/kWh，将U_n=220V，I_b=1.5A，代入公式（1）计算：

CF=0.88Hz，根据手册进行跳线选择，得到表3。

表3 跳线选择

SCF	S2	S1	CFSCL
0	1	0	4

　　显然，4倍I_b时极限有功脉冲频率为：CF_max=4*CF=3.52Hz。该频率比较接近电能表标准要求的脉宽80～100ms（对应约5Hz），比较适合由MCU进行脉冲计量^[1]。

2.5 三相电压回路采样电路设计

　　根据PL3223手册^[2]的公式（7），得到电压取样值V_u的计算公式为：

V_u = (CF *CFSCL)/ (3*192.94* V_i) （2）

　　代入已知各变量数据到公式（2），得到：V_u=141mV。
　　该电压取样值，选择在输入幅度约2/3量程左右，可保证和120%U_n时计量。

　　分压采用电阻网络方式，选定的值（从高电压端起）依次为：

　　选择为：470k、300k、300k、300k、150k、75k、39k、18k、9.1k、5.1k、2.2k 、1.2 k、0.56k，总和约为1670 k；电压取样电阻为1k，根据以上电阻进行分压核算：V_u = R_分压*220V/R_总 = 1k *220V/（1670k +1k） ≈ 0.132V =132mV

取样电路如图2（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期），分压电阻全部焊接时，可能的误差为：-5.5%。

RA20为电压取样电阻，阻值为1kΩ；CA3为补偿电容；CA4为相位校正电容。

3 设计结果

　　根据国标对电能表的要求，还必须满足启动实验、潜动实验。

3.1 电表启动实验

　　启动实验是为保证电能表的灵敏度。根据GB/T 17215规定的启动时间内，当电流在0.004I_b电流下，电能表应能够连续输出脉冲；计算启动时间的公式： T_启动=3600秒/(m*K*U_n*0.004I_b/1000) （3）

其中：m：被测表测量元件数，三相四线电表的m=3；

代入已知参数，得到：T_启动=3600秒/(3*3200*220V*0.004*1.5A/1000)=284秒

3.2 电表潜动实验

　　潜动实验是为指电表在115%Un、无电流的条件下，在规定的最短潜动时间内不得产生多于1个的脉冲。对于1级表，潜动时间计算公式： Δt=600*106 /(m*K*U_n*I_max) min （4）

代入已知参数，得到潜动时间：Δt=47min。

3.3最终设计结果

　　最终设计结果如表4所示。

表4 最终设计结果

电流取样电阻	高电阻，4R3+4R3
电流过载倍数	约为6倍
电流回路增益	PGA=4；选择为G1、G2脚都接0
频率选择	CFSCL=4，SCF、S1、S2=0、1、0
启动时间	284s
潜动时间	47min

3.4 其它注意事项

　　（1）PCB板电源部分做好去耦处理，进行大面积覆地，降低噪声

　　（2）对于电流、电压回路的取样信号输入，尽量短线、平行走线

　　（3）安装工艺要求：互感器的两根输出线应紧密绞绕，减少受外围差模噪声影响

4 测试结果

　　对设计完成的三相四线电能表进行了样机和批量测试，校表设备为“BDJ-3D型三相电能表多功能鉴定装置”；

测试包括各相别分元测试、合元测试，频率从47.5Hz-62.5Hz变化测试，从80%-110%Un的电压变化测试；测试结果表明，计量线性度良好，启动实验、潜动实验均满足标准要求，测试均可以优于0.5级电能表要求的指标。

通过批量测试表明，PL3223芯片的误差曲线具有良好的一致性，适宜进行批量生产。

参考文献

[1] 卢世为，刘建华，“电能表常数与启动、潜动实验”，电工仪表与公用表计行业信息，2005,4

[2] “PL3223 Datasheet Release.pdf”，北京福星晓程公司，2004

[3]“全电子式电能表定型鉴定大纲”，2004

作者简介：张志忠，男，博士，北京福星晓程电子科技股份有限公司副总工

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