萬(wàn)用型電量變送器將逐步取代傳統多參數電量變送器
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/11/13 8:54:51
- 作者：AnyWay中國
一、電量變送器概述
電量
變送器是指將被測電壓、電流信號轉變?yōu)闃藴誓M量或數字量輸出的測量裝置。
電量變送器依據轉換參量可以分類(lèi)，主要有電壓變送器、電流變送器、頻率變送器、功率因數變送器、功率因數角變送器（相位變送器）、有功功率變送器、無(wú)功功率變送器等等。
上述變送器，輸出參量只有一個(gè)，一般稱(chēng)為單參數電量變送器。
事實(shí)上，不論電量變送器的種類(lèi)有多少，其輸入電參量不外乎電壓、電流或電壓和電流的組合。
之所以只有兩種輸入類(lèi)型的電量變送器，輸出有多種形式，主要原因在于單參數電量變送器輸出為直流模擬量信號，單參數電量變送器輸出一般直接與標準模擬量輸入的二次儀表或控制保護裝置相連。
單參數電量變送器每輸出一種特征值，就必須增加一路輸出信號。為了提高變送器的利用率，以適應某些復雜應用，出現了多參數電量變送器。多參數電量變送器其實(shí)就是多個(gè)單參數電量變送器的組合，組合過(guò)程中共用了一些基本的電路單元，從而降低了變送器成本，縮小了變送器整體體積。
圖1 電量變送器
二、傳統電量變送器面臨的挑戰
一個(gè)三相的多參量變送器，可以輸出三相電壓有效值、三相電流有效值、三相有功功率、功率因數等等。多參數電量變送器輸出連接多個(gè)電參數測試儀或連接一個(gè)多參數測多參數電量變送器的出現，大大簡(jiǎn)化了某些需要測量多參數的應用。
然而，多參數測試儀在實(shí)際應用中也存在諸多不足：
1、多參數電量變送器組合不夠靈活，限制了應用
單通道的交流電壓變送器，輸出可能包括：有效值、峰值、峰峰值、整流平均值、頻率、峰值因數、諧波失真等等特征值。任何多參數電量變送器，都不可能輸出所有的特征值。因此，實(shí)際應用中常會(huì )遇到手頭有多參數電量變送器卻不能滿(mǎn)足單參數電量測量的需要。
2、多參數電量變送器組合種類(lèi)繁多，增加了制造廠(chǎng)家的備貨成本
為了盡可能滿(mǎn)足各種用戶(hù)需要，制造廠(chǎng)家需要對各種不同組合的變送器進(jìn)行備貨，而每種變送器的需求不同，備貨的數量往往很難滿(mǎn)足變化的市場(chǎng)需求，增加了制造廠(chǎng)家的備貨成本。由于產(chǎn)品種類(lèi)繁多，也大大增加了研發(fā)成本、維護成本和管理成本。
3、隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展，被測電量發(fā)生了變化
傳統電量變送器，基本上只有交流和直流兩大類(lèi)，交流以50Hz為主，部分應用為400Hz，某些電量變送器可兼顧50Hz和400Hz交流電量的測量。
傳統電量變送器，不論是50Hz還是400Hz的交流電量，都是針對正弦電量設計。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展，被測電參量發(fā)生了變化，傳統的基于正弦規律變化的簡(jiǎn)單電量變?yōu)榛l率范圍寬、諧波含量豐富、波形無(wú)明顯規律可循的
變頻電量。
變頻電量基波頻率范圍較寬，電動(dòng)汽車(chē)電機基波頻率可達1000Hz左右，牽引電機，變頻空調電機的最低基波頻率可達1Hz甚至更低。
電網(wǎng)諧波含量要求一般低于5%，而變頻器輸出的電壓信號為PWM波，含有豐富的諧波，在額定輸出電壓時(shí)，諧波含量可達40%左右，并且輸出電壓越低，諧波含量越大。
隨著(zhù)諧波含量及諧波頻譜分布的變化，變頻電量的波形會(huì )發(fā)生相應的變化，變頻電量的波形無(wú)明顯規律可循。
面對復雜的變頻電量，傳統的針對工頻或其它頻率正弦波設計的電量變送器已經(jīng)無(wú)法勝任！
例如，原先基于峰值檢波電路或均值檢波電路的工頻電參量測量的變送器，可以滿(mǎn)足電網(wǎng)相關(guān)電參量的測量。在如今日益嚴重的電網(wǎng)諧波污染下，該類(lèi)變送器的測量精度漸漸不能滿(mǎn)足需要，逐漸退出歷史舞臺！
又如：原先用于電機電參數測試的多參數電量變送器，在變頻節能改造后，不能滿(mǎn)足變頻器輸出電量的需要。
圖2 電量變送器的測試對象發(fā)生了變化
三、萬(wàn)用型電量變送器基本構思
諸多不足嚴重阻礙了多參數電量變送器的發(fā)展，變送器用戶(hù)希望能有一種適用性更強的新型的電量變送器，變送器廠(chǎng)家紛紛尋找新的出路！
那么，能不能研制一種萬(wàn)用型的電量變送器，以滿(mǎn)足各種電量的各種特征值測試需要呢？
如果您還局限于多參數電量變送器的枚舉式的思路，你會(huì )發(fā)現，現有的諸多的電量特征值，已經(jīng)無(wú)法窮舉，更不用說(shuō)兼顧今后發(fā)展的需要了！
事實(shí)上，對于非正弦電參量，面對各種不同的應用，其特征值是無(wú)法窮舉的。
研制適合變頻電量測試或適用面更廣的萬(wàn)用型電量變送器，必須：
1、拋棄針對應用而產(chǎn)生的各種特殊的特征值，而緊緊抓住被測電量的核心特征值。
2、必須拋棄原先的采用一個(gè)端口輸出一個(gè)特征值的方式，而采取更加靈活的輸出方式。
四、萬(wàn)用型電量變送器基本要求
電參量的核心特征值為幅值、頻率和相位，一組幅值、頻率和相位對應唯一的正弦電量。依據傅里葉變換理論，任意復雜的周期信號，均可分解為多個(gè)不同幅值、頻率和相位的正弦電量的線(xiàn)性組合。圖3為變壓器輸入畸變電流波形及傅里葉分解后得到的頻譜。
圖3 變壓器空載輸入電流波形及頻譜
萬(wàn)用型電量變送器在轉換過(guò)程中，不應對被測電量的幅值、頻率和相位信息造成過(guò)大的改變。
1、頻率要求
輸入通道具有足夠寬的頻帶，確保被測信號不失真的進(jìn)入變送器測量電路。
2、幅值要求
為了滿(mǎn)足寬范圍內的高精度測量，萬(wàn)用型電量變送器每個(gè)輸入通道均設置了8個(gè)檔位，每個(gè)檔位只測量在本檔位量程的50%~100%范圍內的信號，實(shí)現了256倍動(dòng)態(tài)范圍內的高準確度測量。采用無(wú)縫自動(dòng)轉換量程技術(shù)，檔位切換時(shí)，數據不丟失的特點(diǎn)可滿(mǎn)足寬幅值范圍內的動(dòng)態(tài)測量，全面記錄被測信息，不放過(guò)每一個(gè)細節變化。
3、相位要求
相位指標是影響功率測量準確度的重要指標，對于用于功率測量的電量變送器，相位指標至關(guān)重要，萬(wàn)用型電量變送器應保證信號在變換過(guò)程中，應保證相位誤差小于規定的限值。
4、輸出信號為數字信號
采用交流采樣技術(shù)，二次儀表或上位機可對萬(wàn)用型電量變送器輸出的數字信號進(jìn)行還原，得到被測原始信號。
二次儀表或上位機對萬(wàn)用型電量變送器輸出的數字信號進(jìn)行各種運算，可以得到各種不同的特征值。
為了實(shí)現被測信號的還原，萬(wàn)用型電量變送器必須具備足夠高的采樣頻率，即采樣頻率必須高于信號帶寬的兩倍。若輸入通道的信號帶寬不能確認，或采樣頻率不能做到足夠高，應該在采樣之前加上抗混疊濾波器以抑制輸入信號的帶寬。
5、靈活的輸入通道配置
萬(wàn)用型電量變送器設計為雙通道輸入，輸入通道包括三種基本配置：
a、兩路電壓
b、兩路電流
c、一路電壓、一路電流
五、萬(wàn)用型電量變送器構成原理
以一路電壓和一路電流輸入的萬(wàn)用型電量變送器為例，如圖4所示，萬(wàn)用型電量變送器包括電壓（電流）變換電路、電壓（電流）信號調理電路、AD轉換器、串并轉換電路等等。
其中，電壓（電流）變換電路、信號調理電路及量程轉換電路將不同幅值的輸入電壓（電流）信號變換為AD可接受的標準電壓信號（如±5V），標準電壓信號經(jīng)抗混疊濾波器限制帶寬后進(jìn)入AD轉換器。AD轉換器在同步源自動(dòng)選擇電路及采樣時(shí)鐘發(fā)生器的控制下對輸入信號進(jìn)行采樣，輸出數字信號經(jīng)過(guò)FIFO緩沖后打包處理并經(jīng)過(guò)串并轉換器轉換為串行數據輸出，輸出連接二次儀表或上位機。
頻率測量電路主要用于同步源和采樣時(shí)鐘的控制，同時(shí)，準確的信號頻率也是上位機進(jìn)行傅里葉變換等需要的重要輸入參數，將與AD采樣數據一起打包上傳。
圖4 萬(wàn)用型電量變送器構成原理
六、萬(wàn)用型電量變送器典型應用
湖南銀河電氣有限公司研制的
DT系列數字變送器屬于一種萬(wàn)用型電量變送器。DT
數字變送器輸出采用光纖傳輸，即可提高測量系統的電磁兼容性，又可實(shí)現二次儀表與被測回路的良好電氣隔離。
圖5 銀河電氣DT數字變送器
DT系列數字變送器輸入帶寬為100kHz，采樣頻率為250kHz。即可滿(mǎn)足直流電量測量，也可滿(mǎn)足傳統交流正弦電量測量，還可滿(mǎn)足各類(lèi)變頻器、熒光燈鎮流器、電動(dòng)汽車(chē)電機、開(kāi)關(guān)電源適配器、光伏電池方陣等輸出的變頻電量的測量。
DT233B型數字變送器，電壓準確測量范圍為100mV～25.6V，電流準確測量范圍為4mA～1.28A。絕大部分有源傳感器的輸出電壓低于24V，輸出電流小于1A，該變送器幾乎可與包括電量傳感器和非電量傳感器在內的所有有源傳感器配套使用。
DT212B型數字變送器，電壓準確測量范圍為5V～1280V，電流準確測量范圍為0.5A～128A。幾乎可用于所有家用電器和小功率變頻器的直接測量，還可與電壓互感器、電流互感器配套使用。
此外，一路電壓和一路電流的DT數字變送器，可用于電壓、電流及功率測量。
而兩路電壓或兩路電流的DT數字變送器，依據基爾霍夫電壓、電流定律，可用于三相電壓及三相電流的測量。
圖6為DT數字變送器及相關(guān)上位機系統構成的便攜式變頻器諧波測試儀。
圖6 萬(wàn)用型電量變頻器構建的便攜式變頻器諧波測試儀
圖中DH2000數字主機用于接收來(lái)自DT數字變送器的數字信號，處理后通過(guò)高速USB2.0接口與筆記本電腦等上位機相連，上位機編制相關(guān)軟件，即可實(shí)現便攜式變頻器諧波測試儀。編制不同的軟件還可實(shí)現電能質(zhì)量分析儀、
變頻功率分析儀、雙通道示波器等等高性能
虛擬儀器。
變頻調速技術(shù)的廣泛應用、新能源技術(shù)的發(fā)展、各種節能電器的誕生，都與變頻電量有著(zhù)密切的關(guān)系，而基于變頻電量測量的數字量輸出的萬(wàn)用型電量變送器將逐步取代傳統基于正弦電量測量的電量變送器。
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