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为什么说DT数字变送器是万用型电量变送器?

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  • 发布时间:2014/4/1 9:54:36
  • 作者:AnyWay中国

一、传统工频正弦电量变送器

  传统电量变送器通常针对单一特征值而设计。例如:电压变送器电流变送器功率因数变送器有功功率变送器无功功率变送器等等。其中,电压变送器和电流变送器依据测量原理和适用范围的不同,又可分为有效值变送器真有效值变送器
  也有些变送器可同时输出多个特征值,例如:某些功率变送器可同时输出电压有效值、电流有效值、有功功率和功率因数等等,这类电量变送器被称为多参数电量变送器
  对于传统工频正弦交流电参量,上述变送器基本可以满足各类需求。原因是工频正弦电参量可以采用单一的或有限的特征值描述。
传统电量变送器
图1. 传统电量变送器
  例如:对于正弦电压信号,可以用下述公式唯一描述:
  U(t)= √2Usin(2πft+θ)
  由公式可知,正弦电压信号可以由U(有效值)、f(频率)和θ(初始相位)三个参数唯一决定,由于这些参数可以用于描述信号的特征,我们称其为信号特征值。
  对于工频正弦电压信号而言,频率f固定为50Hz(某些国家为60Hz)。而对于单个信号而言,初始相位θ仅仅与起始参考时刻有关,没有实际意义。因此,只需要电压有效值一个特征值即可完整描述该信号。
  类似的,工频正弦电流信号只需要电流有效值一个特征值即可描述。
  当存在多个信号时,为了明确两个信号之间的相位关系,相位差φ是有意义的。
  电压、电流的相位差取余弦就是功率因数。而功率因数与电压有效值和电流有效值的乘积就是有功功率。
  因此,在工频正弦交流电参量测试中,我们只需要非常有限的几个特征值,就可以完整的了解被测电参量。一般只需要电压变送器、电流变送器和功率因数变送器即可满足测试需要。
  对于非工频正弦电量,只需要增加一个频率变送器即可。

二、传统电量变送器面临的挑战

  然而,随着电力电子技术、变频调速技术、新能源技术和高效电源技术等的高速发展,电子工程师需要面对的电参量发生了根本性的变化!
  这类电量,可能是非工频的正弦电量,也可能是工频的非正弦电量,甚至可能是非工频的非正弦电量。由于这类电量通常与变频器有关,我们称其为变频电量。对于非工频的正弦电量,如前所述,仍然可以采用少量的特征值表述。但是,由于频率变化范围较宽,对于低频段或高频段,对电量变送器器件特征及电路原理都提出了不同的要求。
  而对于非正弦的变频电量,由于没有严格的规律可循,很难用少量的特征值进行统一的描述。也就很难用传统的电量变送器进行全面的测量分析。
非正弦电量难以用传统电量变送器测量其全部特征值
图2. 非正弦电量难以用传统电量变送器测量其全部特征值

三、非正弦电量变送器

  对于非正弦电量,我们可以用谐波失真或波形畸变率描述其偏离正弦的程度,因此,出现了谐波失真变送器。由于谐波失真变送器实现较复杂,成本较高,对于要求不高的场合,也有用峰值因数变送器判断被测电量偏离正弦的程度。因为正弦波的峰值因数是已知的,如果被测电量的峰值因数与正弦波的峰值因数偏离较大,我们可以认为被测电量的谐波失真较大。类似原理,还有一种方法就是用基于均值检波峰值检波的两种有效值变送器对同一电量进行测量,若测量结果偏差较大,认为谐波失真较大。
  如果我们还希望知道被测变频电量的包含哪些谐波、这些谐波的幅值和相位分别为多少的时候,比如说,我们希望了解被测变频电量的前100次谐波的幅值和相位时,需要用200个特征值描述。这时候,如果我们还希望采用一个变送器输出一个或多个特征值的电量变送器,先不谈实现难度,系统的复杂程度都会让你望而生畏!
  我们需要另辟蹊径!
  仔细分析传统的电量变送器,我们会发现这些变送器都有下述共同特点!
  1、输出是方便测量的直流电量,一路输出只能代表一个特征值!
  并且,这类特征值一般是某种形式的平均值。比如说:
  均值检波法的有效值变送器是一段时间内(一般要求远远大于单个信号周期)信号幅值的绝对值的平均值再乘以一个固定的系数。真有效值变送器输出是一段时间内信号幅值的平方和求平均后再开方。
  2、输出信息一般少于输入信息。
  比如说:真有效值电压变送器,输出除了真有效值这一特征值之外,其余特征值全部丢失了!
  理论上,对于特征值可以穷举的电量,我们可以用上述电量变送器逐一还原其特征值。
  实际应用中,对于特征值较少的正弦电量,采用穷举的方法是合适的。当特征值超过一定数量时,这种穷举的方法必然带来成本过高的结果!
  实际上,对于变频电量,如果针对某一特定电量,其特征值也是有限的。至少,其基本特征值往往是有限的。而其它很多特征值,可以通过基本特征值进行简单运算获取。但是,由于变频电量没有固定的规律,作为较为通用的变频电量变送器,需要针对各种不同的变频电量进行测量时,这种特征值是不能穷举的!
  而对于特征值不能穷举的电量,我们该如何做呢?
  笔者认为,下述方法是可以接受的!
  列出部分关注频度较高的特征值,同时,保留被测信号的全部信息,需要时候采用其它方法获取未列举的特征值。

四、DT数字变送器

  上述思路,正是DT数字变送器的设计理念!
DT数字变送器是一种万用型电量变送器
图3、DT数字变送器是一种万用型电量变送器
  DT数字变送器通过高速交流数字采样获取可以代表被测有限带宽变频电量全部信息的数字样本序列。该样本序列保留了被测信号的全部信号。
  DT数字变送器输出数字信号经过光纤及DH2000数字主机传输至上位机,上位机通用软件依据样本序列计算出关注频度较高的特征值。专用软件和定制软件或用户自编程软件依据样本序列运算出需要的任意特征值。
  DT数字变送器、DH2000数字主机及通用上位机软件构成的系统,称为DH2000数据采集系统,而采用各种专用软件构成的系统,依据特征值种类可以分为:
  1、真有效值电压表、真有效值电流表、相位表、相序表、功率因数表等常用仪表;
  2、零序电流表、开口三角电压表、相敏指零仪、选频电压表、选频电流表等专用仪表;
  3、谐波检测仪电能质量分析仪等高端仪器。
  4、不能穷举的可替代各种电量变送器的特征值仪表。
  综上所述,DT数字变送器输出信号为包含输入信号全部信息的完整样本序列,通过计算机运算即可获取被测电量的任意特征值,属于多参数电量变送器,更是一种万用型电量变送器