電量變送器是什么？電量變送器工作原理解析

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），如果不對它們進行隔離和把幅度減小，將對人身安全和設(shè)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(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償?shù)?，因此，一定要選用優(yōu)質(zhì)材料和先進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(nèi)，其輸出值不受負載變化的影響，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(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(chǎn)生一定的誤差，這在現(xiàn)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(jié)果不一致，因此對該類變送器的校準，應(yīng)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(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(wǎng)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(shù)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(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，在校準和檢測時應(yīng)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(yīng)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(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）具有與前二代電路無可比擬的優(yōu)點，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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