對電壓的測量是工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的方面之一,比如:電能在生產(chǎn)、輸送、分配和使用的各個環(huán)節(jié)中,必須對電能質(zhì)量、各種電氣設備及電路的運行狀態(tài)進行監(jiān)視、控制和管理,另外也通過對電壓狀態(tài)的監(jiān)視來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制和管理。
電壓的測量設備主要有:電磁式電壓互感器、霍爾電壓傳感器、分壓式電壓傳感器以及新型電壓傳感器。
一電磁式電壓互感器
電磁式電壓互感器的原理和變壓器是類似的,由鐵芯、原邊線圈、副邊線圈組成,原邊并聯(lián)接入測量線路,當原邊線圈上施加一次電壓U1時,副邊線圈會感應出二次電壓U2。測量儀表對二次電壓U2的測量,即可得到被測線路的電壓U1。
電壓互感器實現(xiàn)了對原邊電壓的隔離測量,但是由于其基于變壓器的原理,存在著許多的明顯缺陷:
1、當原邊需要測量高電壓時,電壓互感器的受到線圈的匝數(shù)以及鐵芯大小的制約,體積將會做得非常大。
2、電壓互感器存在電感線圈和鐵芯,所以其頻帶不寬,一般只能用于工頻50Hz或其它額定頻率測量,并且具有諧振、輸出端不能短路等問題。
圖1 電壓互感器原理圖
二霍爾電壓傳感器
霍爾電壓傳感器主要包括初級線圈、磁環(huán)、次級線圈、放大電路及與初級線圈串聯(lián)的限流電阻R。原邊電壓通過外置或內(nèi)置電阻,將電流限制在毫安級,此電流經(jīng)過多匝繞組之后,經(jīng)過磁環(huán)將原邊電流產(chǎn)生的磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到,并感應出相應電動勢,該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補償線圈進而補償,該補償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流(被測電壓通過限流電阻產(chǎn)生)產(chǎn)生的磁通大小相等,方向相反,從而在磁芯中保持磁通為零?;魻栯妷簜鞲衅鞯脑砣鐖D2所示。
圖2 霍爾電壓傳感器原理圖
霍爾電壓傳感器也存在著缺陷:測量電壓等級越高,傳感器的帶寬越窄。例如:某款6400V霍爾電壓傳感器的帶寬僅700Hz,當用于變頻電量測量時,局限性非常大。
三分壓式電壓傳感器
分壓式電壓傳感器有電阻分壓式和電容分壓式,將初級電壓直接轉化為測量儀表可用的低電壓信號。電阻分壓式由于沒有諧振問題,性能優(yōu)于電容式分壓器。
電阻分壓式電壓傳感器與電磁式電壓互感器相比,沒有鐵芯磁飽和的缺點,并且允許短路。
分壓器由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成,電壓信號在低壓側測量,為防止低壓部分出現(xiàn)過電壓,保護二次側測量裝置,必須在低壓電阻上加裝一個放電管或穩(wěn)壓管,使其放電電壓恰好略小于或等于低壓側允許的最大電壓。其中U1為高壓側輸入電壓,U2為低壓側輸出電壓,分壓器原理如圖3所示。
圖3 電阻分壓式電壓傳感器原理圖
電阻分壓式電壓傳感器的缺點:
1、對分壓電阻要求具有穩(wěn)定的溫度特性、較小的阻值誤差、高的耐壓值。
2、分壓器的高壓電阻與周圍的地電位物體存在電勢差,會產(chǎn)生分壓器對地的雜散電容,造成誤差。需要對高壓端作相應的屏蔽措施。
3、分壓測量模式,高壓側與低壓側沒有隔離,存在安全隱患,需要相應的保護措施。
四新型數(shù)字式電壓傳感器
01光纖電壓傳感器
光纖電壓傳感器是基于電光效應,在電場或電壓的作用下透過某些物質(zhì)(如電光晶體)的光會發(fā)生雙折射,而雙折射兩光波之間的相位差與外施電壓(即被測電壓)成正比,通過的鑒相器檢測光波相位差來實現(xiàn)對外電壓的測量。原理如圖4所示。其中,1為光纖,2為起偏器,3為玻片,4為電光晶體,5為檢偏器。
圖4 光纖電壓傳感器原理圖
光功率的波動、溫度的變化對測量都存在不同程度的影響;且傳感器結構復雜,所要求的工藝水平較高,長期運行的可靠性和穩(wěn)定性也是需要解決的問題。
02組合式電壓電流傳感器
隨著科學技術的發(fā)展,出現(xiàn)了將電流、電壓傳感器集于一身的組合式電流電壓傳感器。組合式傳感器結合了現(xiàn)代傳感器技術、數(shù)字技術與光纖通信技術,同時采集電流、電壓信號,在傳感器內(nèi)部完成將模擬量轉換為數(shù)字量,通過光纖輸出。其中以銀河電氣SP系列變頻功率傳感器為代表。
圖5 SP變頻功率傳感器原理圖
SP變頻功率傳感器主要包括電壓敏感元件、電流敏感元件、一次轉換電路、隔離工作電源、光電轉換電路及光纖傳輸系統(tǒng)等構成。電壓敏感元件及電流敏感元件接收來自一次線路的高電壓、大電流信號,變換為一次轉換電路可以接受的低電壓、小電流模擬信號,一次轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號,數(shù)字信號經(jīng)過光電轉換電路通過光纖傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理及顯示單元通訊。
隨著變頻調(diào)速技術在電機驅(qū)動中的應用越來越廣,互感器已經(jīng)無法應對變頻電量的測量。相對于其它形式的電壓傳感器而言,SP變頻功率傳感器具有寬頻帶、交直流兩用、電磁兼容性強、隔離性能好、測量精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,成為變頻電量計量的主要測量裝置。
上一篇:熱電偶中間導體定律的證明
下一篇:詳解電動汽車用電機