發(fā)布者:虹潤集團
電量變送器是一種將被測電量(交流電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、頻率、相位、功率因數、直流電壓、電流等)轉換成按線(xiàn)性比例直流電流或電壓輸出(電能脈沖輸出)的測量?jì)x表。它廣泛應用于電力、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門(mén)的電氣測量、自動(dòng)控制以及調度系統。
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(gè)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(xiàn)性要好,由于PT、CT都采用鐵磁材料加工而成,它們的線(xiàn)性不好,在以后的電路中是很難補償的,因此,一定要選用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)工藝制造的高線(xiàn)性度PT、CT,才能保證變送器測量的線(xiàn)性度。
c. PT、CT的輸出負載要小,由于變送器使用的PT、CT的鐵芯截面受體積限制都比較小,因此隨著(zhù)輸出負載的增大,其非線(xiàn)性將急劇增加,一般PT的輸出電流應《1mA,CT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(guò)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(shí),應為恒壓輸出,電流輸出時(shí)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(jīng)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(shí)際上是一個(gè)精密全波整流電路,它的特點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單和線(xiàn)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(如負載為可控硅等),和采用真有效值變換的測量?jì)x器比對時(shí),有可能產(chǎn)生一定的誤差,這在現場(chǎng)在線(xiàn)校驗這類(lèi)變送器時(shí),如果標準表是真有效值變換的其誤差就有可能和實(shí)驗室測試的結果不一致,因此對該類(lèi)變送器的校準,應在波形失真度《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(lèi)變送器雖然應用較少,但是它是三相有功/無(wú)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(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(shí)分割乘法器。這類(lèi)乘法器的特點(diǎn)是:測量頻率較低(一般《1kHz),但是其線(xiàn)性度相當好,最高可達到0.01%以上,這對于電網(wǎng)電量的測量是相當合適的。實(shí)際上,高標準的功率、電能標準器也大都采用了這類(lèi)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(xiàn)(三相二元件)和三相四線(xiàn)(三相三元件)二類(lèi)。其測量原理是相同的,僅是其接線(xiàn)方式不同。
三相有功功率變送器實(shí)際上是把二個(gè)(二元件)或三個(gè)(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(wú)功功率變送器
無(wú)功功率的測量,根據接線(xiàn)方式的不同,一般可分跨相法和90°移相法兩種。
1.跨相90°無(wú)功功率測量
跨相90°無(wú)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 UaIacos(90°-φ)= k√3 UaIasinφ
即Up正比于A相的無(wú)功功率,由于跨相法的輸入線(xiàn)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(xiàn)的方法來(lái)測量無(wú)功功率,則必須引入相應的接線(xiàn)系數,這在相應的檢定規程中已有規定。
2.移相90°無(wú)功功率測量
移相90°無(wú)功功率測量又稱(chēng)正弦法無(wú)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(wú)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(chēng)的影響量較大。
移相90°無(wú)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(jiàn)下表
目前,國內的無(wú)功功率測量仍大部分采用跨相90°無(wú)功功率變送器。由于無(wú)功功率測量的特點(diǎn),在校準和檢測時(shí)應注意以下幾點(diǎn),以免帶來(lái)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(shí)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(chēng)度盡可能調至接近完全對稱(chēng)。
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(jìn)后的FS系列變送器)、ASIC電路(第三代,如FP、GP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(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),得到越來(lái)越廣泛的應用,在這里作一簡(jiǎn)單介紹。
ASIC是“特制集成電路”的英文縮寫(xiě),它是八十年代末迅速發(fā)展起來(lái)的一項高技術(shù)產(chǎn)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(zhì)的區別,是將超大規模集成電路(VLSI)的工藝技術(shù)、計算機輔助設計(CAD)、自動(dòng)測試技術(shù)(ATE)三者結合的豐碩成果。應用在變送器上,即為變送器專(zhuān)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(gè)變送器僅有CT、PT、電源、大電容、ASIC芯片等少數幾個(gè)器件,從而可大大提高整個(gè)變送器的可靠性和長(cháng)期穩定性。
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