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02月22日 2020

電量變送器是什么?電量變送器工作原理解析

發(fā)布者:虹潤集團(tuán)

電量變送器的定義

  電量變送器是一種將被測電量(交流電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、頻率、相位、功率因數(shù)、直流電壓、電流等)轉(zhuǎn)換成按線性比例直流電流或電壓輸出(電能脈沖輸出)的測量儀表。它廣泛應(yīng)用于電力、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門的電氣測量、自動控制以及調(diào)度系統(tǒng)。

     電路變送器的工作原理

  一、基本測量電路

  電量變送器的基本測量電路一般由以下幾個部分組成:

                                電量變送器測量電路組成圖

1.信號輸入隔離

  由于我們需要測量的電量一般都為高電壓(57.7-380V)和大電流(1A-10A),如果不對它們進(jìn)行隔離和把幅度減小,將對人身安全和設(shè)備造成嚴(yán)重威脅,信號輸入隔離一般采用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT),對這一部分的基本要求為:

  a. 信號隔離的耐壓絕緣性能要好,耐壓應(yīng)》2kV.

  b. 線性要好,由于PT、CT都采用鐵磁材料加工而成,它們的線性不好,在以后的電路中是很難補(bǔ)償?shù)?,因此,一定要選用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)工藝制造的高線性度PT、CT,才能保證變送器測量的線性度。

  c. PT、CT的輸出負(fù)載要小,由于變送器使用的PTCT的鐵芯截面受體積限制都比較小,因此隨著輸出負(fù)載的增大,其非線性將急劇增加,一般PT的輸出電流應(yīng)《1mA,CT的輸出電流應(yīng)《10mA(一般為5mA左右),取樣電阻應(yīng)《200Ω。

  2.電量轉(zhuǎn)換電路

  這部分是電量變送器的核心,通過它把不同的被測電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電量,相應(yīng)于不同的被測電量而采用不同的轉(zhuǎn)換電路。具體電路將在后面再詳細(xì)介紹。

  3.輸出電路

  這部分電路的作用是輸出變送器需要輸出的電量,它的基本要求是:

  a.具有一定的帶負(fù)載能力;

  b.恒定輸出。即在一定的負(fù)載范圍內(nèi),其輸出值不受負(fù)載變化的影響,即在電壓輸出時,應(yīng)為恒壓輸出,電流輸出時應(yīng)為恒流輸出。

  輸出的一般電路如下:

電壓輸出圖

電流輸出圖

  圖中N為運(yùn)算放大器,V為晶體三極管,擴(kuò)大運(yùn)算放大器的輸出電流。

  有的變送器有可能該電路和電量轉(zhuǎn)換電路合并在一起。

  二、交流電壓、電流變送器

  交流電流、電壓變送器除了輸入隔離部分有差別外,其他電路基本一樣,輸入隔離部分的電路如下:

                  電壓變送器

                  電流變送器

二者之間的差別為電壓變送器采用PT,其二次輸出電壓可直接輸入下一級轉(zhuǎn)換電路,而電流變送器是采用CT,其二次輸出電流先經(jīng)R變換為電壓后再輸入下一級轉(zhuǎn)換電路,其好處為只要選擇合適的二次電流值和R,后面的電路可和電壓變送器完全一致。

  電壓、電流變送器的測量目前大都采用平均值轉(zhuǎn)換,其基本電路如下:

這實(shí)際上是一個精密全波整流電路,它的特點(diǎn)是線路簡單和線性度好,但缺點(diǎn)是波形失真度對它的影響較大。這在某些波形失真較大的電路中(如負(fù)載為可控硅等),和采用真有效值變換的測量儀器比對時,有可能產(chǎn)生一定的誤差,這在現(xiàn)場在線校驗(yàn)這類變送器時,如果標(biāo)準(zhǔn)表是真有效值變換的其誤差就有可能和實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果不一致,因此對該類變送器的校準(zhǔn),應(yīng)在波形失真度《0.2%的電源上進(jìn)行。

  三、有功功率變送器

  1.單相有功功率變送器

  這類變送器雖然應(yīng)用較少,但是它是三相有功/無功功率變送器的基礎(chǔ),因此先介紹它的基本原理,它的基本電路如下:

電路中,PT、CT和電壓電流變送器一樣,作為輸入隔離,PT的二次電壓和CT的二次電流經(jīng)變換成電壓后都輸入至乘法器,使乘法器輸出的直流電壓

  式中:Up --- 乘法器輸出電壓

  Un --- PT二次電壓

  Ui --- CT二次電流經(jīng)R變換后的電壓

  φ--- Uu和Ui的夾角

  就達(dá)到了功率變換為直流電壓的目的,目前,功率變送器中大都采用的是時分割乘法器。這類乘法器的特點(diǎn)是:測量頻率較低(一般《1kHz),但是其線性度相當(dāng)好,最高可達(dá)到0.01%以上,這對于電網(wǎng)電量的測量是相當(dāng)合適的。實(shí)際上,高標(biāo)準(zhǔn)的功率、電能標(biāo)準(zhǔn)器也大都采用了這類乘法器,電路中的相位補(bǔ)償電路就是對變送器功率因數(shù)影響的補(bǔ)償,一般都用RC元件加在電壓回路中。

  2.三相有功功率變送器

  三相有功功率變送器又可分為三相三線(三相二元件)和三相四線(三相三元件)二類。其測量原理是相同的,僅是其接線方式不同。

  三相有功功率變送器實(shí)際上是把二個(二元件)或三個(三元件)單相功率變送器的輸出電壓相加,從而得到三相功率變送器,其基本電路如下:

四、無功功率變送器

  無功功率的測量,根據(jù)接線方式的不同,一般可分跨相法和90°移相法兩種。

  1.跨相90°無功功率測量

  跨相90°無功功率的測量,其基本原理和有功功率測量相同,僅是改變了電壓的輸入方式,電路如下:

乘法器的輸出電壓

  Uout=kUbcIacosφ

  式中k為比例系數(shù),可由電路設(shè)定。

  因Ubc滯后于Ua 90°,因此公式可變換為

  Uout=k√3 UaIacos90°-φ)= k3 UaIasinφ

  即Up正比于A相的無功功率,由于跨相法的輸入線電壓幅值為相電壓的√3 倍,因此在變送器內(nèi)部可調(diào)整電路參數(shù),使比例系數(shù)k‘調(diào)整為有功功率測量系數(shù)k值的1/3,則仍可保證原有轉(zhuǎn)換比例系數(shù)不變,如果用有功功率變送器改變外接線的方法來測量無功功率,則必須引入相應(yīng)的接線系數(shù),這在相應(yīng)的檢定規(guī)程中已有規(guī)定。

  2.移相90°無功功率測量

  移相90°無功功率測量又稱正弦法無功功率測量,其基本電路如下:

       乘法器輸出電壓

  Uout=kUaIacos(90°-φ)= kUaIasinφ

  90°移相電路一般采用RC元件,使移相電路的輸出電壓滯后于輸入電壓

  90°。

  3.二種功率測量電路的比較

  跨相90°無功功率測量,由于輸入的電壓、電流不為同一相,因此,三相電壓的不對稱的影響量較大。

  移相90°無功功率測量的電壓回路由于采用了RC元件,因此輸入頻率的影響量較大。

  二種測量電路的特點(diǎn)見下表

  目前,國內(nèi)的無功功率測量仍大部分采用跨相90°無功功率變送器。由于無功功率測量的特點(diǎn),在校準(zhǔn)和檢測時應(yīng)注意以下幾點(diǎn),以免帶來較大的附加誤差:

  a.被測變送器和標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)為采用同一種測量方式。

  b.如確實(shí)保證被測變送器和標(biāo)準(zhǔn)表測量方式一致,則應(yīng)把測試電源的三相對稱度盡可能調(diào)至接近完全對稱。

  五、電路結(jié)構(gòu)

  電量變送器的電路結(jié)構(gòu)一般可分為分立元件(第一代,如早期的FS系列變送器)、小規(guī)模集成電路(第二代,如改進(jìn)后的FS系列變送器)、ASIC電路(第三代,如FPGP系列變送器)。其中分立元件的變送器由于穩(wěn)定性、可靠性差已逐步淘汰,目前大量使用的為第二代、第三代電路。由于ASIC電路(第三代)具有與前二代電路無可比擬的優(yōu)點(diǎn),得到越來越廣泛的應(yīng)用,在這里作一簡單介紹。

  ASIC是“特制集成電路”的英文縮寫,它是八十年代末迅速發(fā)展起來的一項高技術(shù)產(chǎn)品。從設(shè)計思想、研制手段,直到測試方法,使與傳統(tǒng)的通用集成電路有質(zhì)的區(qū)別,是將超大規(guī)模集成電路(VLSI)的工藝技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、自動測試技術(shù)(ATE)三者結(jié)合的豐碩成果。應(yīng)用在變送器上,即為變送器專用厚膜電路。ASIC電路的變送器把變送器的轉(zhuǎn)換電路和輸出電路(即大部分電子電路)全部集成到一塊定制的芯片上,大大減少了元器件的數(shù)量,整個變送器僅有CT、PT、電源、大電容、ASIC芯片等少數(shù)幾個器件,從而可大大提高整個變送器的可靠性和長期穩(wěn)定性。

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