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蘇州迅鵬儀器儀表有限公司
中級(jí)會(huì)員 | 第15年

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蘇州迅鵬FP電量變送器的基本原理

時(shí)間:2024/3/12閱讀:401
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蘇州迅鵬FP系列電量變送器是一種將被測(cè)電量(交流電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、頻率、相位、功率因數(shù)、直流電壓、電流等)轉(zhuǎn)換成按線性比例直流電流或電壓輸出(電能脈沖輸出)的測(cè)量?jī)x表。它廣泛應(yīng)用于電力、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門(mén)的電氣測(cè)量、自動(dòng)控制以及調(diào)度系統(tǒng)。

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一、基本測(cè)量電路

   電量變送器的基本測(cè)量電路一般由以下幾個(gè)部分組成:

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1.信號(hào)輸入隔離

   由于我們需要測(cè)量的電量一般都為高電壓(57.7-380V)和大電流(1A-10A),如果不對(duì)它們進(jìn)行隔離和把幅度減小,將對(duì)人身安全和設(shè)備造成嚴(yán)重威脅,信號(hào)輸入隔離一般采用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT),對(duì)這一部分的基本要求為:

a. 信號(hào)隔離的耐壓絕緣性能要好,耐壓應(yīng)>2kV。

b. 線性要好,由于PT、CT都采用鐵磁材料加工而成,它們的線性不好,

  在以后的電路中是很難補(bǔ)償?shù)?,因此,一定要選用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)工藝

  制造的高線性度PTCT,才能保證變送器測(cè)量的線性度。

c. PT、CT的輸出負(fù)載要小,由于變送器使用的PT、CT的鐵芯截面受體積

  限制都比較小,因此隨著輸出負(fù)載的增大,其非線性將急劇增加,一般

  PT的輸出電流應(yīng)<1mA,CT的輸出電流應(yīng)<10mA(一般為5mA左右),取樣

  電阻應(yīng)<200Ω。

2.電量轉(zhuǎn)換電路

這部分是電量變送器的核心,通過(guò)它把不同的被測(cè)電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電量,相應(yīng)于不同的被測(cè)電量而采用不同的轉(zhuǎn)換電路。具體電路將在后面再詳細(xì)介紹。

3.輸出電路

這部分電路的作用是輸出變送器需要輸出的電量,它的基本要求是:

a.具有一定的帶負(fù)載能力;

b.恒定輸出。即在一定的負(fù)載范圍內(nèi),其輸出值不受負(fù)載變化的影響,即

 在電壓輸出時(shí),應(yīng)為恒壓輸出,電流輸出時(shí)應(yīng)為恒流輸出。

輸出的一般電路如下:

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圖中N為運(yùn)算放大器,V為晶體三極管,擴(kuò)大運(yùn)算放大器的輸出電流。

有的變送器有可能該電路和電量轉(zhuǎn)換電路合并在一起。



二、交流電壓、電流變送器

交流電流、電壓變送器除了輸入隔離部分有差別外,其他電路基本一樣,輸入隔離部分的電路如下:

 

6.png

             

       二者之間的差別為電壓變送器采用PT,其二次輸出電壓可直接輸入下一級(jí)轉(zhuǎn)換電路,而電流變送器是采用CT,其二次輸出電流先經(jīng)R變換為電壓后再輸入下一級(jí)轉(zhuǎn)換電路,其好處為只要選擇合適的二次電流值和R,后面的電路可和電壓變送器一致。

電壓、電流變送器的測(cè)量目前大都采用平均值轉(zhuǎn)換,其基本電路如下:

7.png


這實(shí)際上是一個(gè)精密全波整流電路,它的特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單和線性度好,但缺點(diǎn)是波形失真度對(duì)它的影響較大。這在某些波形失真較大的電路中(如負(fù)載為可控硅等),和采用真有效值變換的測(cè)量?jī)x器比對(duì)時(shí),有可能產(chǎn)生一定的誤差,這在現(xiàn)場(chǎng)在線校驗(yàn)這類(lèi)變送器時(shí),如果標(biāo)準(zhǔn)表是真有效值變換的其誤差就有可能和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果不一致,因此對(duì)該類(lèi)變送器的校準(zhǔn),應(yīng)在波形失真度<0.2%的電源上進(jìn)行。

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三、有功功率變送器

1.   單相有功功率變送器

這類(lèi)變送器雖然應(yīng)用較少,但是它是三相有功/無(wú)功功率變送器的基礎(chǔ),因此先介紹它的基本原理,它的基本電路如下:

9.png


   電路中,PTCT和電壓電流變送器一樣,作為輸入隔離,PT的二次電壓和CT的二次電流經(jīng)變換成電壓后都輸入至乘法器,使乘法器輸出的直流電壓

    Up=Uu×Uicosφ

式中:Up --- 乘法器輸出電壓

     Un --- PT二次電壓

     Ui --- CT二次電流經(jīng)R變換后的電壓

     φ--- UuUi的夾角

就達(dá)到了功率變換為直流電壓的目的,目前,功率變送器中大都采用的是時(shí)分割乘法器。這類(lèi)乘法器的特點(diǎn)是:測(cè)量頻率較低(一般<1kHz),但是其線性度相當(dāng)好,最高可達(dá)到0.01%以上,這對(duì)于電網(wǎng)電量的測(cè)量是相當(dāng)合適的。實(shí)際上,高標(biāo)準(zhǔn)的功率、電能標(biāo)準(zhǔn)器也大都采用了這類(lèi)乘法器,電路中的相位補(bǔ)償電路就是對(duì)變送器功率因數(shù)影響的補(bǔ)償,一般都用RC元件加在電壓回路中。

2.   三相有功功率變送器

   三相有功功率變送器又可分為三相三線(三相二元件)和三相四線(三相三元件)二類(lèi)。其測(cè)量原理是相同的,僅是其接線方式不同。

三相有功功率變送器實(shí)際上是把二個(gè)(二元件)或三個(gè)(三元件)單相功率變送器的輸出電壓相加,從而得到三相功率變送器,其基本電路如下:

四、無(wú)功功率變送器

   無(wú)功功率的測(cè)量,根據(jù)接線方式的不同,一般可分跨相法和90°移相法兩種。

1.    跨相90°無(wú)功功率測(cè)量

跨相90°無(wú)功功率的測(cè)量,其基本原理和有功功率測(cè)量相同,僅是改變了電壓的輸入方式,電路如下:

12.png


   乘法器的輸出電壓

        Uout=kUbcIacosφ

   式中k為比例系數(shù),可由電路設(shè)定。

Ubc滯后于Ua 90°,因此公式可變換為


    Uout=k3 UaIacos(90°-φ)= k3 UaIasinφ


Up正比于A相的無(wú)功功率,由于跨相法的輸入線電壓幅值為相電壓的√3 倍,因此在變送器內(nèi)部可調(diào)整電路參數(shù),使比例系數(shù)k調(diào)整為有功功率測(cè)量系數(shù)k值的1/3,則仍可保證原有轉(zhuǎn)換比例系數(shù)不變,如果用有功功率變送器改變外接線的方法來(lái)測(cè)量無(wú)功功率,則必須引入相應(yīng)的接線系數(shù),這在相應(yīng)的檢定規(guī)程中已有規(guī)定。


2.移相90°無(wú)功功率測(cè)量

   移相90°無(wú)功功率測(cè)量又稱(chēng)正弦法無(wú)功功率測(cè)量,其基本電路如下:

13.png


   乘法器輸出電壓

        Uout=kUaIacos(90°-φ)= kUaIasinφ

90°移相電路一般采用RC元件,使移相電路的輸出電壓滯后于輸入電壓

90°。

3.二種功率測(cè)量電路的比較

   跨相90°無(wú)功功率測(cè)量,由于輸入的電壓、電流不為同一相,因此,三相電壓的不對(duì)稱(chēng)的影響量較大。

   移相90°無(wú)功功率測(cè)量的電壓回路由于采用了RC元件,因此輸入頻率的影響量較大。

二種測(cè)量電路的特點(diǎn)見(jiàn)下表

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   目前,國(guó)內(nèi)的無(wú)功功率測(cè)量仍大部分采用跨相90°無(wú)功功率變送器。由于無(wú)功功率測(cè)量的特點(diǎn),在校準(zhǔn)和檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn),以免帶來(lái)較大的附加誤差:

a.被測(cè)變送器和標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)為采用同一種測(cè)量方式。

b.如確實(shí)保證被測(cè)變送器和標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量方式一致,則應(yīng)把測(cè)試電源的三相對(duì)稱(chēng)度盡可能調(diào)至接近對(duì)稱(chēng)。

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五、電路結(jié)構(gòu)

   蘇州迅鵬電量變送器的電路結(jié)構(gòu)一般可分為分立元件(第一代,如早期的FS系列變送器)、小規(guī)模集成電路(第二代,如改進(jìn)后的FS系列變送器)、ASIC電路(第三代,如迅鵬FPGP/YP系列變送器)。其中分立元件的變送器由于穩(wěn)定性、可靠性差已逐步淘汰,目前大量使用的為第二代、第三代電路。由于ASIC電路(第三代)具有與前二代電路突出的優(yōu)點(diǎn),得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,在這里作一簡(jiǎn)單介紹。

ASIC是“特制集成電路"的英文縮寫(xiě),它是八十年代末迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高技術(shù)產(chǎn)品。從設(shè)計(jì)思想、研制手段,直到測(cè)試方法,使與傳統(tǒng)的通用集成電路有質(zhì)的區(qū)別,是將超大規(guī)模集成電路(VLSI)的工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)三者結(jié)合的豐碩成果。應(yīng)用在變送器上,即為變送器專(zhuān)用厚膜電路。ASIC電路的變送器把變送器的轉(zhuǎn)換電路和輸出電路(即大部分電子電路)全部集成到一塊定制的芯片上,大大減少了元器件的數(shù)量,整個(gè)變送器僅有CT、PT、電源、大電容、ASIC芯片等少數(shù)幾個(gè)器件,從而可大大提高整個(gè)變送器的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。






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