電量變送器是什么？電量變送器工作原理解析
點(diǎn)擊次數(shù)：1997 更新時間：2021-03-18
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)模虼?，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PT、CT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*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，高達(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 UaIacos(90°-φ)= k√3 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*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(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FP、GP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*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穩(wěn)定性。
