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鐵電存儲器在新一代電子電能表中的應(yīng)用 電能表技術(shù)指標(biāo)

時間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
自從1889年匈牙利工程師 Otto Blathy 發(fā)明全世界第一個電能表 (瓦特瓦時表)原型之后,電能表經(jīng)過一個世紀(jì)多的演進(jìn):由機(jī)械式電表到今日的各種不同型式的電子電能表,包含新的預(yù)付費(fèi)電能表 (pre-paid) 復(fù)費(fèi)率電能表 以及具有雙向通訊能力的電子式電能表等,其提供的擴(kuò)展功能包括:自動讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開,以及復(fù)雜的計費(fèi)結(jié)構(gòu)等等。這些電能表還可讓使用者對其耗電量有更好的控制,以便節(jié)省電費(fèi)及更有效地分配用電量。

如圖1所示,電子電能表的基本架構(gòu)包括下列各主要功能模塊:電壓電流取樣電路;16位以上分辨率的ADC;計量與控制單元;通信接口;操作界面;顯示器;存儲器。本文將以存儲器為重點(diǎn)說明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)。


圖1、電子電能表的基本電路方塊圖

鐵電存儲器的技術(shù)特點(diǎn)

首先要說明的是鐵電存儲器和浮動?xùn)糯鎯ζ鞯募夹g(shù)差異?,F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動?xùn)偶夹g(shù),浮動?xùn)糯鎯卧粋€電隔離門,浮動?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動?xùn)攀怯梢粋€導(dǎo)電材料,通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動?xùn)糯鎯卧男畔⒋鎯κ峭ㄟ^保存浮動?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動?xùn)糯鎯卧碾妷壕湍苓_(dá)到電荷添加或擦除的動作,從而確定存儲單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來產(chǎn)生高電壓,迫使電流通過柵氧化層而達(dá)到擦除的功能,因此需要5-10ms的擦寫延遲。高寫入功率和長期的寫操作會破壞浮動?xùn)糯鎯卧瑥亩斐捎邢薜牟翆懘鎯Υ螖?shù)(例如:閃存約十萬次,而EEPROM則約1百萬次)。


圖2、浮動?xùn)糯鎯卧?/p>鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器,是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結(jié)晶體,如圖3所示。當(dāng)一個電場被施加到鐵晶體管時,中心原子順著電場停在低能量狀態(tài)I位置,反之,當(dāng)電場反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時,中心原子順著電場的方向在晶體里移動并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動耦合形成鐵電疇,鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高,鐵電疇在電場下無反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較低,這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲器。


圖3、鐵電存儲器結(jié)晶單元

特別是當(dāng)移去電場后,中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動,存儲器的狀態(tài)也得以保存不會消失,因此可利用鐵電疇在電場下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷,或無反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來判別存儲單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場,僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài);也不需要電荷泵來產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除,因而沒有擦寫延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù),寫入速度快且具有無限次寫入壽命,不容易寫壞。所以,與閃存和EEPROM 等較早期的非易失性內(nèi)存技術(shù)比較,鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。

應(yīng)用范例

下面以0.2級三相電能表為例來說明為何電子電能表需要使用F-RAM存儲器。首先要說明電能表0.2級的定義,所謂0.2級是指測量精度每千瓦小時 (KWH) 需小于0.2% 的誤差,相對來說如果是0.5級則是指指測量精度每千瓦小時 (KWH)需小于0.5% 的誤差。其次要說明國家電網(wǎng)對0.2級三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲規(guī)范。如下列范例所示,其存儲內(nèi)容分為“用電數(shù)據(jù)及事件記錄”兩部份:

1. 用電數(shù)據(jù)存儲:

* 數(shù)據(jù)保存: 存儲器需保存包括12個月的總電能和各費(fèi)率的電能數(shù)據(jù), 包括有功、無功功率;有功、無功總電能;四象限無功總電能以及正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共16個項目,每一項目需4字節(jié),12個月共( 4字節(jié)x 16項 x 12月= 768字節(jié))。

* 負(fù)荷記錄存儲: 存儲器空間應(yīng)保證在記錄正反向有、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共6個項目,每一項目需4字節(jié),時間間隔為1分鐘的情況下、可記錄不少于30 天的數(shù)據(jù)容量,最長時間間隔為1分鐘, 以60分鐘間隔來計算其數(shù)據(jù)量為 ( 4字節(jié)x 6項 x 24小時x 30天 = 17,280 字節(jié))。

2. 事件記錄存儲: 內(nèi)容則包括最近10 次編程時間;需量清零時間;校時事件;A、B、C相失壓起始及恢復(fù)時間;A、B、C 相斷相起始及恢復(fù)時間;電流不平衡起始及恢復(fù)時間和事件期間的各項電能增量共6大項801字節(jié)。

不包含負(fù)荷記錄,上述數(shù)據(jù)量相加起來最低存儲器需求就有1,569 字節(jié) (12.51千位),若再加上第三點(diǎn)的負(fù)荷記錄存儲緩沖,其數(shù)據(jù)量則高達(dá)18,849 字節(jié) (150.79千位)。

以存儲速度來作比較:I2C的EEPROM 寫1,569 字節(jié)需要 0.91秒,寫18,849 字節(jié)需花費(fèi)11.07秒;但是I2C的鐵電(FRAM)存儲器,寫1,569 字節(jié)僅需要 45毫秒,寫18,849 字節(jié)僅需花費(fèi)0.55秒。事實上當(dāng)Vdd在0.01秒的時間下降0.23V (使用1000?f 130?內(nèi)阻的電容) 的放電率條件下,鐵電存儲器能寫50,000次,而EEPROM僅能寫一次。因為浮動?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t在大量數(shù)據(jù)存儲時有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,所以浮動?xùn)糯鎯ζ鞑⒉贿m用于高容量的電能表。

根據(jù)統(tǒng)計,中國的民用電一般約每戶每月200度左右,而工業(yè)用電每戶每月約高達(dá)2萬度左右,以每0.01度存儲一次用電數(shù)據(jù)來計算,則存儲器每月的擦寫次數(shù)會高達(dá)200萬次,加上電能表的使用壽命為5-7年(各省分不同),因此浮動?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆憠勖静环笫褂茫驗楦訓(xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t因素更不可能采用大容量浮動?xùn)糯鎯ζ鱽碜鲆莆粌Υ妗?br />
從數(shù)據(jù)保存的本質(zhì)安全角度及寫入時間來看,浮動?xùn)糯鎯ζ鞑⒉贿m用于三相電能表,因為在如此大量的數(shù)據(jù)存儲情況下,浮動?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。例如,用電量大或者遇到瞬間停電時會有來不及寫入,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的可能性。

當(dāng)然工程師們可以利用SRAM作為數(shù)據(jù)緩沖暫時存儲用電數(shù)據(jù),但是這樣就需要備份電池給SRAM供電,以防止斷電時數(shù)據(jù)丟失,此外,還會增加電能表本身的功耗與成本。所以具有非易失性、無延遲快速寫入、無限的讀寫壽命和超低的寫入功耗特性的鐵電存儲器,就成為了電能表的較佳存儲器選擇。

中國國家電網(wǎng)對0.2級三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容要求如下:

數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容:

1、 至少能存儲前12個月或前12個(結(jié)算)抄表周期的總電能和各費(fèi)率的電能數(shù)據(jù), (負(fù)荷記錄: 有功、無功的電壓、電流、頻率;有功、無功功率;功率因子;有功、無功總電能;四象限無功總電能。

( 4字節(jié)x 16 x 12月= 768 字節(jié)) 。

2、 負(fù)荷記錄間隔時間可以在1~60 分鐘之間任意設(shè)置。

3、 負(fù)荷記錄存儲空間應(yīng)保證在記錄正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2,時間間隔為1分鐘的情況下可記錄不少于30 天的數(shù)據(jù)容量 (這個數(shù)據(jù)通常會移至閃存)。

在1分鐘間隔時: ( 4字節(jié)x 6 x 60分鐘x 24小時x30天 = 1,036,800 字節(jié))

在60分鐘間隔時: ( 4字節(jié)x 6 x 24小時x30天 = 17,280字節(jié))

事件記錄存儲內(nèi)容:

1、 最近10 次編程時間及編程對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識。

(年, 月, 日, 時, 分, 秒 = 6字節(jié) x 10次+ 40字節(jié)數(shù)據(jù)= 100字節(jié))

2、 最近10 次的需量清零時間及清零前的最大需量值。

(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 10次+ 40字節(jié)數(shù)據(jù)= 100字節(jié))

3、 最近10次校時事件,校時前后時間。

(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 20次(前+后) + 1字節(jié)事件= 121字節(jié))

4、 最近10 次A、B、C 相失壓起始、恢復(fù)時間及其期間的電能增量。

(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6 字節(jié) x 20 + 40 字節(jié)增量= 160字節(jié))

5、 最近10 次A、B、C 相斷相起始、恢復(fù)時間及期間的電能增量

(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 20 + 40字節(jié)增量= 160字節(jié))

6、 最近10 次電流不平衡起始、恢復(fù)時間及其期間的電能增量

(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié)x 20 + 40字節(jié)增量= 160字節(jié))

總存儲數(shù)據(jù)在條件 (1+4+5+6+7+8+9)= 1,569 bytes (12.51Kb)

總存儲數(shù)據(jù)在條件 (1+3+4+5+6+7+8+9)= 18,849 bytes (150.79Kb)

本文小結(jié)

鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能,并且和ROM的技術(shù)一樣,是一種非易失性的存儲器,適合用于需要較以往更高的數(shù)據(jù)收集速率及壽命的電能表或先進(jìn)計量產(chǎn)品。由于鐵電存儲器具有高速的寫入速度和無限的讀寫壽命,加上其非易失性及低功耗的特點(diǎn),所以電子電能表需要使用鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)存儲。



    在電能計量工作中,正確地使用和維護(hù)校驗設(shè)備,是保證正常電能計量的重要技術(shù)措施。設(shè)備一旦出現(xiàn)故障,應(yīng)迅速準(zhǔn)確地做出判斷,修理排除,才能使電能計量工作順利進(jìn)行。下面是一些常見故障和修理經(jīng)驗共大家參考。

    一、電能表校驗臺電波、電壓調(diào)節(jié)器故障

    1.調(diào)節(jié)器線圈燒壞

    原因:接錯線路,或電能表內(nèi)部絕緣擊穿短路,或電能表的電流和電壓接線端子間的掛鉤沒有脫開,或工作完畢后忘記關(guān)機(jī)或檔位打錯等。至使校驗臺的電流與電壓回路、電壓相線之間或相線與零線之間可能短路。

    修理方法:①調(diào)節(jié)器只燒壞幾匝線圈,可將燒壞的幾匝跨接。在調(diào)節(jié)器繞組與碳刷非接面一側(cè),將燒壞的幾匝兩端焊接一根導(dǎo)線后繼續(xù)使用。

    ②損壞嚴(yán)重則需更換調(diào)節(jié)器

    2.調(diào)節(jié)器碳刷接觸不良

    原因:長期使用碳刷磨損,或越位轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器手柄造成碳刷斷裂。至使電流忽大忽小,電壓忽高忽低,影響測試精度,甚至無法正常工作。

    修理方法:①輕微磨損,可調(diào)整碳刷及彈簧片例接觸點(diǎn)壓力,使其接觸良好。

    ②磨損嚴(yán)重或斷裂,則需更換碳刷。

    二、電能表校驗臺萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)故障

    1.萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)卡住

    原因:由于越位轉(zhuǎn)動開關(guān)手柄,使開關(guān)定位裝置損壞,開關(guān)卡住,不能自如轉(zhuǎn)動到位。

    修理方法:開關(guān)在臺體內(nèi)不便修理,需拆出時,先畫好接線草圖,編排好字頭,記清接線端子位置及開關(guān)的原始檔位,再拆出開關(guān)。拆出后,小心將開關(guān)前端的定位裝置分解。開關(guān)后部盡量保持原樣,不使它散亂。分解后,查看定位銷是否斷裂、錯位。如斷裂,沒有備件更換,可去掉這只損壞的定位銷,照樣可以使用。如錯位,重新調(diào)整好即可。修理調(diào)整好后,按拆卸相反順序,組合好開關(guān),試驗轉(zhuǎn)動靈活后再裝于臺體內(nèi)。電工之家

    2.萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)接線接點(diǎn)松動,接觸電阻大

    原因:長途運(yùn)輸顛波震動,或出廠時螺絲沒有安緊,或螺絲生銹,或線頭滑脫。

    修理方法:重新壓緊各接線螺絲,對照圖紙接好沿脫線頭,對銹蝕線頭做除銹處理。

    三、電源部分故障

    1.不能正常啟動。

    2.電壓不穩(wěn)。

    3.零線帶電,臺體帶電。

    原因:1.電源線斷或缺相。

    2.電源電壓三相不平衡,或線路老化,或線路接頭處生銹、松動接觸電阻增大,或接觸不良。

    3.電源變壓器中性點(diǎn)沒接地,接地電阻大或零線斷。

    修理方法:檢修電源線路、開關(guān)、熔絲、接地螺絲、校表臺接地保護(hù)線、零線、變壓器中性點(diǎn)接地等部分,使接地電阻不超過4Ω糾正電壓不平衡現(xiàn)象。

    四、電能表校驗臺指示儀表故障

    指示數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確

    原因:①誤操作,打錯檔位,使儀表指示超過刻度極限而碰彎表針。

    ②儀表使用之前沒有調(diào)整好零位。

    修理方法:更換表針。

    針對以上故障現(xiàn)象采取以下預(yù)防措施,將會起到事半功倍的效果。

    1.嚴(yán)格按規(guī)程操作設(shè)備。每次校驗前仔細(xì)檢查核對各開關(guān)的檔位,電能表的接線等是否正確。在切換電流量程開關(guān)前應(yīng)將電流調(diào)節(jié)器逆時針旋至終點(diǎn),工作完畢后切斷電源。

    2.選擇合適的熔斷器,電壓回路一般選用1至2安。如原電壓回路采用RL1-15型的熔斷器座,熔芯熔斷后,換上同型號同容量的熔芯,不能任意加大。

    3.定期檢查,維護(hù)各開關(guān)電器元件及它們之間的連線、接線螺絲、電源線路等電氣部分。定期測量電壓、電流輸出端子及電源對外殼的絕緣電阻,其值不應(yīng)小于5兆歐。

    4.電能表校驗臺安裝時,外殼一定接好保護(hù)接地線,以保證人身安全。





電能表響聲的幾種表現(xiàn)形式

  電能表在運(yùn)行中出現(xiàn)了較大的響聲。響聲有以下幾種表現(xiàn)形式:

  a.時斷時續(xù),或一受外界振動即產(chǎn)生“吱吱”聲。

  b.持續(xù)的電磁振動聲或機(jī)械零件的共振聲。

  c.電能表的字在翻動時出現(xiàn)“咔”聲。

  (1)原因。電能表出現(xiàn)較大的響聲,其原因是電能表內(nèi)電磁元件松動,或是轉(zhuǎn)動部件的上、下軸承中缺少潤滑油等。

  (2)檢修。按常規(guī)來講,電能表運(yùn)行時間超過三年,就應(yīng)該拆洗,加注潤滑油。轉(zhuǎn)動部件的上、下軸承缺油,是引起“吱吱”響聲的主要原因。

  加潤滑油時,不能加得太多,否則就會流到其他部位。上軸承由轉(zhuǎn)軸、軸套和軸銷組成。下軸承由軸槽型鋼寶石和硬度很高的鋼球等組成,支承著整個轉(zhuǎn)盤的重量。

  對于電能表的其他響聲,應(yīng)視具體情況加以處理。若由于電磁振動而引起機(jī)械零件的共振,聲音很微弱時則可不必去修理。若聲音較大,應(yīng)檢查鐵芯疊片有無松動,各個機(jī)械零件及電磁元件有無松動,按原樣把松動的零件重新加以緊固后,即可消除共振噪聲。

  如果電能表內(nèi)發(fā)出的聲音是機(jī)械碰撞聲,則就應(yīng)檢查各零件間的配合情況是否有異常,中間有無異物或零件破損。對于因異物導(dǎo)致的碰撞聲,只要清除雜物即可,對于破損的零件,只要更換新的零件和調(diào)整裝配位置就行了。

標(biāo)簽: 電能表
電能表 電能表響聲的幾種表現(xiàn)形式_電能表

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