萬用型電量變送器將逐步取代傳統(tǒng)多參數(shù)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(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模擬量或數(shù)字量輸出的測量裝置。
電量變送器依據(jù)轉(zhuǎn)換參量可以分類,主要有電壓變送器、電流變送器、頻率變送器、功率因數(shù)變送器、功率因數(shù)角變送器(相位變送器)、有功功率變送器、無功功率變送器等等。
上述變送器,輸出參量只有一個(gè),一般稱為單參數(shù)電量變送器。
事實(shí)上,不論電量變送器的種類有多少,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型的電量變送器,輸出有多種形式,主要原因在于單參數(shù)電量變送器輸出為直流模擬量信號,單參數(shù)電量變送器輸出一般直接與標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入的二次儀表或控制保護(hù)裝置相連。
單參數(shù)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(yīng)某些復(fù)雜應(yīng)用,出現(xiàn)了多參數(shù)電量變送器。多參數(shù)電量變送器其實(shí)就是多個(gè)單參數(shù)電量變送器的組合,組合過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(tǒng)電量變送器面臨的挑戰(zhàn)
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(shù)等等。多參數(shù)電量變送器輸出連接多個(gè)電參數(shù)測試儀或連接一個(gè)多參數(shù)測多參數(shù)電量變送器的出現(xiàn),大大簡化了某些需要測量多參數(shù)的應(yīng)用。
然而,多參數(shù)測試儀在實(shí)際應(yīng)用中也存在諸多不足:
1、多參數(shù)電量變送器組合不夠靈活,限制了應(yīng)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(shù)、諧波失真等等特征值。任何多參數(shù)電量變送器,都不可能輸出所有的特征值。因此,實(shí)際應(yīng)用中常會遇到手頭有多參數(shù)電量變送器卻不能滿足單參數(shù)電量測量的需要。
2、多參數(shù)電量變送器組合種類繁多,增加了制造廠家的備貨成本
為了盡可能滿足各種用戶需要,制造廠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(shù)量往往很難滿足變化的市場需求,增加了制造廠家的備貨成本。由于產(chǎn)品種類繁多,也大大增加了研發(fā)成本、維護(hù)成本和管理成本。
3、隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,被測電量發(fā)生了變化
傳統(tǒng)電量變送器,基本上只有交流和直流兩大類,交流以50Hz為主,部分應(yīng)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(tǒng)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(shè)計(jì)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,被測電參量發(fā)生了變化,傳統(tǒng)的基于正弦規(guī)律變化的簡單電量變?yōu)榛l率范圍寬、諧波含量豐富、波形無明顯規(guī)律可循的
變頻電量。
變頻電量基波頻率范圍較寬,電動(dòng)汽車電機(jī)基波頻率可達(dá)1000Hz左右,牽引電機(jī),變頻空調(diào)電機(jī)的最低基波頻率可達(dá)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(dá)40%左右,并且輸出電壓越低,諧波含量越大。
隨著諧波含量及諧波頻譜分布的變化,變頻電量的波形會發(fā)生相應(yīng)的變化,變頻電量的波形無明顯規(guī)律可循。
面對復(fù)雜的變頻電量,傳統(tǒng)的針對工頻或其它頻率正弦波設(shè)計(jì)的電量變送器已經(jīng)無法勝任!
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,可以滿足電網(wǎng)相關(guān)電參量的測量。在如今日益嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染下,該類變送器的測量精度漸漸不能滿足需要,逐漸退出歷史舞臺!
又如:原先用于電機(jī)電參數(shù)測試的多參數(shù)電量變送器,在變頻節(jié)能改造后,不能滿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、萬用型電量變送器基本構(gòu)思
諸多不足嚴(yán)重阻礙了多參數(shù)電量變送器的發(fā)展,變送器用戶希望能有一種適用性更強(qiáng)的新型的電量變送器,變送器廠家紛紛尋找新的出路!
那么,能不能研制一種萬用型的電量變送器,以滿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(shù)電量變送器的枚舉式的思路,你會發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的諸多的電量特征值,已經(jīng)無法窮舉,更不用說兼顧今后發(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(yīng)用,其特征值是無法窮舉的。
研制適合變頻電量測試或適用面更廣的萬用型電量變送器,必須:
1、拋棄針對應(yīng)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(yīng)唯一的正弦電量。依據(jù)傅里葉變換理論,任意復(fù)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
萬用型電量變送器在轉(zhuǎn)換過程中,不應(yīng)對被測電量的幅值、頻率和相位信息造成過大的改變。
1、頻率要求
輸入通道具有足夠?qū)挼念l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
為了滿足寬范圍內(nèi)的高精度測量,萬用型電量變送器每個(gè)輸入通道均設(shè)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(nèi)的信號,實(shí)現(xiàn)了256倍動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的高準(zhǔn)確度測量。采用無縫自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程技術(shù),檔位切換時(shí),數(shù)據(jù)不丟失的特點(diǎn)可滿足寬幅值范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)測量,全面記錄被測信息,不放過每一個(gè)細(xì)節(jié)變化。
3、相位要求
相位指標(biāo)是影響功率測量準(zhǔn)確度的重要指標(biāo),對于用于功率測量的電量變送器,相位指標(biāo)至關(guān)重要,萬用型電量變送器應(yīng)保證信號在變換過程中,應(yīng)保證相位誤差小于規(guī)定的限值。
4、輸出信號為數(shù)字信號
采用交流采樣技術(shù),二次儀表或上位機(jī)可對萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行還原,得到被測原始信號。
二次儀表或上位機(jī)對萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行各種運(yùn)算,可以得到各種不同的特征值。
為了實(shí)現(xiàn)被測信號的還原,萬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(rèn),或采樣頻率不能做到足夠高,應(yīng)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
萬用型電量變送器設(shè)計(jì)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、萬用型電量變送器構(gòu)成原理
以一路電壓和一路電流輸入的萬用型電量變送器為例,如圖4所示,萬用型電量變送器包括電壓(電流)變換電路、電壓(電流)信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、串并轉(zhuǎn)換電路等等。
其中,電壓(電流)變換電路、信號調(diào)理電路及量程轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)電壓信號(如±5V),標(biāo)準(zhǔn)電壓信號經(jīng)抗混疊濾波器限制帶寬后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)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(shù)字信號經(jīng)過FIFO緩沖后打包處理并經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出,輸出連接二次儀表或上位機(jī)。
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(zhǔn)確的信號頻率也是上位機(jī)進(jìn)行傅里葉變換等需要的重要輸入?yún)?shù),將與AD采樣數(shù)據(jù)一起打包上傳。
圖4 萬用型電量變送器構(gòu)成原理
六、萬用型電量變送器典型應(yīng)用
圖5 銀河電氣DT數(shù)字變送器
DT系列數(shù)字變送器輸入帶寬為100kHz,采樣頻率為250kHz。即可滿足直流電量測量,也可滿足傳統(tǒng)交流正弦電量測量,還可滿足各類變頻器、熒光燈鎮(zhèn)流器、電動(dòng)汽車電機(jī)、開關(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(shù)字變送器,電壓準(zhǔn)確測量范圍為100mV~25.6V,電流準(zhǔn)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(nèi)的所有有源傳感器配套使用。
DT212B型數(shù)字變送器,電壓準(zhǔn)確測量范圍為5V~1280V,電流準(zhǔn)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(shù)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(shù)字變送器,依據(jù)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(shù)字變送器及相關(guān)上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的便攜式變頻器諧波測試儀。
圖6 萬用型電量變頻器構(gòu)建的便攜式變頻器諧波測試儀
圖中DH2000數(shù)字主機(jī)用于接收來自DT數(shù)字變送器的數(shù)字信號,處理后通過高速USB2.0接口與筆記本電腦等上位機(jī)相連,上位機(jī)編制相關(guān)軟件,即可實(shí)現(xiàn)便攜式變頻器諧波測試儀。編制不同的軟件還可實(shí)現(xiàn)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(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用、新能源技術(shù)的發(fā)展、各種節(jié)能電器的誕生,都與變頻電量有著密切的關(guān)系,而基于變頻電量測量的數(shù)字量輸出的萬用型電量變送器將逐步取代傳統(tǒng)基于正弦電量測量的電量變送器。