一、電量變送器概述

電量變送器是指將被測(cè)電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模擬量或數(shù)字量輸出的測(cè)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(hào)，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(hào)。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(cè)試儀或連接一個(gè)多參數(shù)測(cè)多參數(shù)電量變送器的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了某些需要測(cè)量多參數(shù)的應(yīng)用。

然而，多參數(shù)測(cè)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(huì)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(cè)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(duì)正弦電量設(shè)計(jì)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，被測(cè)電參量發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的基于正弦規(guī)律變化的簡(jiǎn)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(hào)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(huì)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(duì)復(fù)雜的變頻電量，傳統(tǒng)的針對(duì)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(cè)量的變送器，可以滿足電網(wǎng)相關(guān)電參量的測(cè)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(cè)量精度漸漸不能滿足需要，逐漸退出歷史舞臺(tái)！

又如：原先用于電機(jī)電參數(shù)測(cè)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。

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(cè)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(huì)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(duì)于非正弦電參量，面對(duì)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(cè)試或適用面更廣的萬用型電量變送器，必須：

1、拋棄針對(duì)應(yīng)用而產(chǎn)生的各種特殊的特征值，而緊緊抓住被測(cè)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(duì)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(hào)，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(duì)被測(cè)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(cè)信號(hào)不失真的進(jìn)入變送器測(cè)量電路。

2、幅值要求

為了滿足寬范圍內(nèi)的高精度測(cè)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(cè)量在本檔位量程的50%~100%范圍內(nèi)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了256倍動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的高準(zhǔn)確度測(cè)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(cè)量，全面記錄被測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度的重要指標(biāo)，對(duì)于用于功率測(cè)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(hào)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(hào)為數(shù)字信號(hào)

采用交流采樣技術(shù)，二次儀表或上位機(jī)可對(duì)萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行還原，得到被測(cè)原始信號(hào)。

二次儀表或上位機(jī)對(duì)萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號(hào)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(cè)信號(hào)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(hào)帶寬的兩倍。若輸入通道的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)變換為AD可接受的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（如±5V），標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號(hào)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(cè)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(hào)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

湖南銀河電氣有限公司研制的DT系列數(shù)字變送器屬于一種萬用型電量變送器。DT數(shù)字變送器輸出采用光纖傳輸，即可提高測(cè)量系統(tǒng)的電磁兼容性，又可實(shí)現(xiàn)二次儀表與被測(cè)回路的良好電氣隔離。

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(cè)量，也可滿足傳統(tǒng)交流正弦電量測(cè)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(cè)量。

DT233B型數(shù)字變送器，電壓準(zhǔn)確測(cè)量范圍為100mV～25.6V，電流準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量范圍為5V～1280V，電流準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)，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(cè)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(cè)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(cè)量的電量變送器。

審核編輯 黃宇