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万用型电量变送器将逐步取代传统多参数电量变送器

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  • 发布时间:2013/11/13 8:54:51
  • 作者:AnyWay中国

一、电量变送器概述

  电量变送器是指将被测电压、电流信号转变为标准模拟量或数字量输出的测量装置。
  电量变送器依据转换参量可以分类,主要有电压变送器电流变送器频率变送器功率因数变送器、功率因数角变送器(相位变送器)、有功功率变送器、无功功率变送器等等。
  上述变送器,输出参量只有一个,一般称为单参数电量变送器。
  事实上,不论电量变送器的种类有多少,其输入电参量不外乎电压、电流或电压和电流的组合。
  之所以只有两种输入类型的电量变送器,输出有多种形式,主要原因在于单参数电量变送器输出为直流模拟量信号,单参数电量变送器输出一般直接与标准模拟量输入的二次仪表或控制保护装置相连。
  单参数电量变送器每输出一种特征值,就必须增加一路输出信号。为了提高变送器的利用率,以适应某些复杂应用,出现了多参数电量变送器。多参数电量变送器其实就是多个单参数电量变送器的组合,组合过程中共用了一些基本的电路单元,从而降低了变送器成本,缩小了变送器整体体积。
电量变送器
图1 电量变送器

二、传统电量变送器面临的挑战

  一个三相的多参量变送器,可以输出三相电压有效值、三相电流有效值、三相有功功率、功率因数等等。多参数电量变送器输出连接多个电参数测试仪或连接一个多参数测多参数电量变送器的出现,大大简化了某些需要测量多参数的应用。
  然而,多参数测试仪在实际应用中也存在诸多不足:

1、多参数电量变送器组合不够灵活,限制了应用

  单通道的交流电压变送器,输出可能包括:有效值、峰值、峰峰值、整流平均值、频率、峰值因数、谐波失真等等特征值。任何多参数电量变送器,都不可能输出所有的特征值。因此,实际应用中常会遇到手头有多参数电量变送器却不能满足单参数电量测量的需要。

2、多参数电量变送器组合种类繁多,增加了制造厂家的备货成本

  为了尽可能满足各种用户需要,制造厂家需要对各种不同组合的变送器进行备货,而每种变送器的需求不同,备货的数量往往很难满足变化的市场需求,增加了制造厂家的备货成本。由于产品种类繁多,也大大增加了研发成本、维护成本和管理成本。

3、随着变频调速技术的发展,被测电量发生了变化

  传统电量变送器,基本上只有交流和直流两大类,交流以50Hz为主,部分应用为400Hz,某些电量变送器可兼顾50Hz和400Hz交流电量的测量。
  传统电量变送器,不论是50Hz还是400Hz的交流电量,都是针对正弦电量设计。随着变频调速技术的发展,被测电参量发生了变化,传统的基于正弦规律变化的简单电量变为基波频率范围宽、谐波含量丰富、波形无明显规律可循的变频电量
  变频电量基波频率范围较宽,电动汽车电机基波频率可达1000Hz左右,牵引电机,变频空调电机的最低基波频率可达1Hz甚至更低。
  电网谐波含量要求一般低于5%,而变频器输出的电压信号为PWM波,含有丰富的谐波,在额定输出电压时,谐波含量可达40%左右,并且输出电压越低,谐波含量越大。
  随着谐波含量及谐波频谱分布的变化,变频电量的波形会发生相应的变化,变频电量的波形无明显规律可循。
  面对复杂的变频电量,传统的针对工频或其它频率正弦波设计的电量变送器已经无法胜任!
  例如,原先基于峰值检波电路均值检波电路的工频电参量测量的变送器,可以满足电网相关电参量的测量。在如今日益严重的电网谐波污染下,该类变送器的测量精度渐渐不能满足需要,逐渐退出历史舞台!
  又如:原先用于电机电参数测试的多参数电量变送器,在变频节能改造后,不能满足变频器输出电量的需要。
电量变送器的测量对象发生了变化
图2 电量变送器的测试对象发生了变化

三、万用型电量变送器基本构思

万用型电量变送器的构思  诸多不足严重阻碍了多参数电量变送器的发展,变送器用户希望能有一种适用性更强的新型的电量变送器,变送器厂家纷纷寻找新的出路!
  那么,能不能研制一种万用型的电量变送器,以满足各种电量的各种特征值测试需要呢?
  如果您还局限于多参数电量变送器的枚举式的思路,你会发现,现有的诸多的电量特征值,已经无法穷举,更不用说兼顾今后发展的需要了!
  事实上,对于非正弦电参量,面对各种不同的应用,其特征值是无法穷举的。
  研制适合变频电量测试或适用面更广的万用型电量变送器,必须:
  1、抛弃针对应用而产生的各种特殊的特征值,而紧紧抓住被测电量的核心特征值。
  2、必须抛弃原先的采用一个端口输出一个特征值的方式,而采取更加灵活的输出方式。



四、万用型电量变送器基本要求

  电参量的核心特征值为幅值、频率和相位,一组幅值、频率和相位对应唯一的正弦电量。依据傅里叶变换理论,任意复杂的周期信号,均可分解为多个不同幅值、频率和相位的正弦电量的线性组合。图3为变压器输入畸变电流波形及傅里叶分解后得到的频谱。
变压器空载电流波形及谐波频谱

图3 变压器空载输入电流波形及频谱
  万用型电量变送器在转换过程中,不应对被测电量的幅值、频率和相位信息造成过大的改变。

1、频率要求

  输入通道具有足够宽的频带,确保被测信号不失真的进入变送器测量电路。

2、幅值要求

  为了满足宽范围内的高精度测量,万用型电量变送器每个输入通道均设置了8个档位,每个档位只测量在本档位量程的50%~100%范围内的信号,实现了256倍动态范围内的高准确度测量。采用无缝自动转换量程技术,档位切换时,数据不丢失的特点可满足宽幅值范围内的动态测量,全面记录被测信息,不放过每一个细节变化。

3、相位要求

  相位指标是影响功率测量准确度的重要指标,对于用于功率测量的电量变送器,相位指标至关重要,万用型电量变送器应保证信号在变换过程中,应保证相位误差小于规定的限值。

4、输出信号为数字信号

  采用交流采样技术,二次仪表或上位机可对万用型电量变送器输出的数字信号进行还原,得到被测原始信号。
  二次仪表或上位机对万用型电量变送器输出的数字信号进行各种运算,可以得到各种不同的特征值。
  为了实现被测信号的还原,万用型电量变送器必须具备足够高的采样频率,即采样频率必须高于信号带宽的两倍。若输入通道的信号带宽不能确认,或采样频率不能做到足够高,应该在采样之前加上抗混叠滤波器以抑制输入信号的带宽。

5、灵活的输入通道配置

  万用型电量变送器设计为双通道输入,输入通道包括三种基本配置:
  a、两路电压
  b、两路电流
  c、一路电压、一路电流

五、万用型电量变送器构成原理

  以一路电压和一路电流输入的万用型电量变送器为例,如图4所示,万用型电量变送器包括电压(电流)变换电路、电压(电流)信号调理电路、AD转换器、串并转换电路等等。
  其中,电压(电流)变换电路、信号调理电路及量程转换电路将不同幅值的输入电压(电流)信号变换为AD可接受的标准电压信号(如±5V),标准电压信号经抗混叠滤波器限制带宽后进入AD转换器。AD转换器在同步源自动选择电路及采样时钟发生器的控制下对输入信号进行采样,输出数字信号经过FIFO缓冲后打包处理并经过串并转换器转换为串行数据输出,输出连接二次仪表或上位机。
  频率测量电路主要用于同步源和采样时钟的控制,同时,准确的信号频率也是上位机进行傅里叶变换等需要的重要输入参数,将与AD采样数据一起打包上传。
万用型电量变送器构成原理
图4 万用型电量变送器构成原理

六、万用型电量变送器典型应用

  湖南银河电气有限公司研制的DT系列数字变送器属于一种万用型电量变送器。DT数字变送器输出采用光纤传输,即可提高测量系统的电磁兼容性,又可实现二次仪表与被测回路的良好电气隔离。
银河电气DT数字变送器
图5 银河电气DT数字变送器
  DT系列数字变送器输入带宽为100kHz,采样频率为250kHz。即可满足直流电量测量,也可满足传统交流正弦电量测量,还可满足各类变频器、荧光灯镇流器、电动汽车电机、开关电源适配器、光伏电池方阵等输出的变频电量的测量。
  DT233B型数字变送器,电压准确测量范围为100mV~25.6V,电流准确测量范围为4mA~1.28A。绝大部分有源传感器的输出电压低于24V,输出电流小于1A,该变送器几乎可与包括电量传感器和非电量传感器在内的所有有源传感器配套使用。
  DT212B型数字变送器,电压准确测量范围为5V~1280V,电流准确测量范围为0.5A~128A。几乎可用于所有家用电器和小功率变频器的直接测量,还可与电压互感器、电流互感器配套使用。
  此外,一路电压和一路电流的DT数字变送器,可用于电压、电流及功率测量。
  而两路电压或两路电流的DT数字变送器,依据基尔霍夫电压、电流定律,可用于三相电压及三相电流的测量。
  图6为DT数字变送器及相关上位机系统构成的便携式变频器谐波测试仪。
万用型电量变频器构建的便携式变频器谐波测试仪
图6 万用型电量变频器构建的便携式变频器谐波测试仪
  图中DH2000数字主机用于接收来自DT数字变送器的数字信号,处理后通过高速USB2.0接口与笔记本电脑等上位机相连,上位机编制相关软件,即可实现便携式变频器谐波测试仪。编制不同的软件还可实现电能质量分析仪、变频功率分析仪、双通道示波器等等高性能虚拟仪器
  变频调速技术的广泛应用、新能源技术的发展、各种节能电器的诞生,都与变频电量有着密切的关系,而基于变频电量测量的数字量输出的万用型电量变送器将逐步取代传统基于正弦电量测量的电量变送器。