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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

發布者:虹潤集團

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、直流電壓、電流等)轉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、自動控制以及調度系統。

     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),如果不對它們進行隔離和把幅度減小,將對人身安全和設備造成嚴重威脅,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》2kV.

  b. 線性要好,由于PTCT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償的,因此,一定要選用優質材料和先進工藝制造的高線性度PTCT,才能保證變送器測量的線性度。

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

  2.電量轉換電路

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

  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.具有一定的帶負載能力;

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

  輸出的一般電路如下:

電壓輸出圖

電流輸出圖

  圖中N為運算放大器,V為晶體三極管,擴大運算放大器的輸出電流。

  有的變送器有可能該電路和電量轉換電路合并在一起。

  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換電路,而電流變送器是采用CT,其二次輸出電流先經R變換為電壓后再輸入下一級轉換電路,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換,其基本電路如下:

這實際上是一個精密全波整流電路,它的特點是線路簡單和線性度好,但缺點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,有可能產生一定的誤差,這在現場在線校驗這類變送器時,如果標準表是真有效值變換的其誤差就有可能和實驗室測試的結果不一致,因此對該類變送器的校準,應在波形失真度《0.2%的電源上進行。

  三、有功功率變送器

  1.單相有功功率變送器

  這類變送器雖然應用較少,但是它是三相有功/無功功率變送器的基礎,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R變換后的電壓

  φ--- Uu和Ui的夾角

  就達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。這類乘法器的特點是:測量頻率較低(一般《1kHz),但是其線性度相當好,最高可達到0.01%以上,這對于電網電量的測量是相當合適的。實際上,高標準的功率、電能標準器也大都采用了這類乘法器,電路中的相位補償電路就是對變送器功率因數影響的補償,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,可由電路設定。

  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,因此在變送器內部可調整電路參數,使比例系數k‘調整為有功功率測量系數k值的1/3,則仍可保證原有轉換比例系數不變,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,則必須引入相應的接線系數,這在相應的檢定規程中已有規定。

  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見下表

  目前,國內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,在校準和檢測時應注意以下幾點,以免帶來較大的附加誤差:

  a.被測變送器和標準表應為采用同一種測量方式。

  b.如確實保證被測變送器和標準表測量方式一致,則應把測試電源的三相對稱度盡可能調至接近完全對稱。

  五、電路結構

  電量變送器的電路結構一般可分為分立元件(第一代,如早期的FS系列變送器)、小規模集成電路(第二代,如改進后的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點,得到越來越廣泛的應用,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展起來的一項高技術產品。從設計思想、研制手段,直到測試方法,使與傳統的通用集成電路有質的區別,是將超大規模集成電路(VLSI)的工藝技術、計算機輔助設計(CAD)、自動測試技術(ATE)三者結合的豐碩成果。應用在變送器上,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量,整個變送器僅有CTPT、電源、大電容、ASIC芯片等少數幾個器件,從而可大大提高整個變送器的可靠性和長期穩定性。

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