第六章-第四節(jié)-變送器

第六

章配電系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化主講人：周英華QQ:1055455616常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院第四節(jié)變送器第四節(jié)變送器傳感器是能夠受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱(chēng),通常由敏感組件和轉(zhuǎn)換組件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱(chēng)為變送器。變送器是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀器，傳感器則是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。什么是傳感器？什么是變送器？

變送器是調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中經(jīng)常用到的感受元件。

變送器的作用：在電力系統(tǒng)中負(fù)責(zé)把電流、電壓、功率、溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如：將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做壓力變送器；將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做溫度變送器等等。

變送器有電流、電壓、功率、電量、頻率、小電流接地選線(xiàn)等多種，有直流變送器也有交流變送器通常情況下，在工業(yè)應(yīng)用中，變送器是指?jìng)鞲衅骱托盘?hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路的總成。第四節(jié)變送器第四節(jié)變送器信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的功能可歸納為以下三個(gè)主要方面：（1）信號(hào)輸入隔離（濾波）?

消除、抑制干擾（2）電量轉(zhuǎn)換電路?

電流→電壓?

電抗→電壓?

電抗→頻率→電壓（3）輸出電路（標(biāo)準(zhǔn)化）?

平移使輸出信號(hào)過(guò)0?

放大弱電壓轉(zhuǎn)換為0~5V

或4~20mA?

整形將頻率輸出轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)?為保證通用性和精確性，輸入量和輸出量之間要保持線(xiàn)性關(guān)系第四節(jié)變送器信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的基本測(cè)量原理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：信號(hào)輸入隔離電量轉(zhuǎn)換電路輸出電路輸入輸出第四節(jié)變送器信號(hào)輸入隔離

由于需要測(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(xiàn)性要好，由于PT、CT都采用鐵磁材料加工而成，它們的線(xiàn)性不好，在以后的電路中是很難補(bǔ)償?shù)模虼?，一定要選用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)工藝制造的高線(xiàn)性度PT、CT，才能保證變送器測(cè)量的線(xiàn)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(xiàn)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。第四節(jié)變送器電量轉(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。第四節(jié)變送器輸出電路

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：電壓輸出電流輸出變送器有可能該電路和電量轉(zhuǎn)換電路合并在一起。第四節(jié)變送器變送器的分類(lèi)變送器是微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感受元件，按其變送的參數(shù)，可分為：1、電量變送器2、非電量變送器。目前，RTU測(cè)得各種電量的方法有兩種：1、常規(guī)電量變送器方法(直流采樣式)2、微機(jī)電量變送器方法(直接交流采樣)。第四節(jié)變送器1、常規(guī)電量變送器(直流采樣)

直流變送器功能單一，穩(wěn)定性差，可靠性低。尤其是常規(guī)變送器因輸出端并接有較大慣性的電容器，所以對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)速度慢，一般在O.1～O.3s之間，這種響應(yīng)速度對(duì)電力網(wǎng)正常過(guò)負(fù)荷的檢測(cè)尚可以適應(yīng)，但是對(duì)電力網(wǎng)故障狀態(tài)的下暫態(tài)信息如短路電流、母線(xiàn)殘壓的變化的提取，顯然是不適應(yīng)的，可能造成在故障期間內(nèi)大量信息的丟失。第四節(jié)變送器2、微機(jī)電量變送器(交流采樣)隨著電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化對(duì)變送器的要求越來(lái)越高，即希望響應(yīng)速度快、精度高并具有數(shù)字處理和數(shù)字輸出的功能，以便與計(jì)算機(jī)接口。計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和日臻成熟與完善，為微機(jī)變送器的產(chǎn)生和發(fā)展提供了強(qiáng)有力保證。第四節(jié)變送器2、微機(jī)電量變送器方法(交流采樣)

微機(jī)變送器是通過(guò)使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)和成熟的數(shù)學(xué)工具對(duì)交流電壓、交流電流信號(hào)直接采樣得到各個(gè)相關(guān)電量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能，是一種多功能綜合測(cè)量裝置。由于微機(jī)的運(yùn)算速度快，一臺(tái)微機(jī)變送器可測(cè)量幾條線(xiàn)路的電量，而且還可測(cè)出每條線(xiàn)路的多個(gè)電氣量。因此一臺(tái)微機(jī)變送器可代替多臺(tái)常規(guī)變送器，從而減輕了互感器的負(fù)載，減小了測(cè)量誤差。微機(jī)變送器對(duì)環(huán)境溫度變化的影響也比常規(guī)變送器小。第四節(jié)變送器溫度變送器溫度傳感器第四節(jié)變送器變送器的輸出信號(hào)類(lèi)型以輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將變送器分為：模擬變送器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。數(shù)字變送器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。準(zhǔn)數(shù)字變送器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信

號(hào)的輸出。開(kāi)關(guān)變送器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，變送器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。變送器的輸出信號(hào)類(lèi)型第四節(jié)變送器變送器技術(shù)參數(shù)：

1．精度：優(yōu)于0.5％

；

2．非線(xiàn)性失真：優(yōu)于0.5％；

3．額定工作電壓Vcc：＋24V±20％

，極限工作電壓：≤35V

；

4．電源功耗：靜態(tài)4mA，動(dòng)態(tài)時(shí)相等于環(huán)路電流，內(nèi)部限制25mA＋10％；

5．額定輸入：5A……1kA（42個(gè)規(guī)格）；

6．穿孔穿芯圓孔直徑：9、12、20、25、30mm；

7．輸出電流溫漂系數(shù)：≤50ppm/℃；

8．輸出形式：兩線(xiàn)制，四線(xiàn)制DC4～20mA；

第四節(jié)變送器

四線(xiàn)制傳輸

二線(xiàn)制傳輸?shù)谒墓?jié)變送器變送器技術(shù)參數(shù)：

9．響應(yīng)時(shí)間：≤100mS；

10．輸入/輸出絕緣隔離強(qiáng)度：AC3000V

/

1min、1mA；

11．輸出負(fù)載電阻：RLmax

≤

（Vcc-10V）/

20mA

12．輸入過(guò)載保護(hù)：30倍1min；

13．輸出過(guò)流限制保護(hù)：內(nèi)部限制25mA＋10％；

注：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)輸出過(guò)流限制保護(hù)：內(nèi)部限制25mA＋10％；14．

兩線(xiàn)端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護(hù)能力：TVS抑制沖擊電35A／20ms／1.5kW；

第四節(jié)變送器變送器技術(shù)參數(shù)：

15．兩線(xiàn)端口設(shè)置有＋24V電源反接保護(hù)；

16．輸出電流設(shè)置有長(zhǎng)時(shí)間短路保護(hù)限制：內(nèi)部限制25mA+10%；

17．安裝方式：DIN-35mm導(dǎo)軌安裝及螺釘固定等；18．輸入/輸出絕緣電阻≥20MΩ(DC500V)；

19．工作環(huán)境：－25℃～＋70℃，20％～90％無(wú)凝露；

20．貯存溫度：－40℃～＋85℃，20％～90％無(wú)凝露；

21．

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T13850－1998直流電壓變送器的作用是將電壓互感器二次輸出的交流電壓變換成所需要的直流電壓。一、直流電壓變送器圖6-4直流電壓變送器原理結(jié)構(gòu)

變送器T的一次繞組接在電壓互感器的二次輸出端，故變送器T的輸入電壓U正常時(shí)為100V，經(jīng)變送器T將100V的交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓二極管V1～V4組成的全波整流電路將交流電壓變成一個(gè)直流電壓電阻R和電容C1、C2組成的型濾波電路，以濾掉不需要的諧波成分。二極管V5是根據(jù)輸出特性初始段選配，以補(bǔ)償磁化曲線(xiàn)初始部分的非線(xiàn)性。變送器按正常要求是將100V的交流電壓變換成6V的直流電壓。這就是說(shuō)，當(dāng)輸出電阻為6kΩ時(shí)，變送器的直流輸出電流為1mA。實(shí)際中為了考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，設(shè)計(jì)中將輸入的最高電壓定為120V（冗余設(shè)計(jì)），從而使得現(xiàn)場(chǎng)的100V實(shí)際電壓約為120V的5/6。這就是說(shuō)，當(dāng)輸入交流電壓為120V時(shí)，直流輸出電流為1mA，因此，每伏輸入電壓所對(duì)應(yīng)輸出電流的理論值為：1mA/120V=8.33μA/V

一、直流電壓變送器變送器的誤差用相對(duì)誤差來(lái)表示，其計(jì)算公式是：

γ＝(理論值-實(shí)際值)/滿(mǎn)量程值若變送器輸入交流電壓100V時(shí)，其實(shí)測(cè)輸出電流為0.835mA，而100V的理論毫安數(shù)為8.33μA/V*l00V=0.833mA，于是

＝(0.833-0.835)/1＝-0.2％我們說(shuō)這個(gè)變送器是0.2級(jí)的變送器的誤差為了保證變送器的精確度,要注意以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)變送器的鐵芯的磁化特性曲線(xiàn)要有足夠的線(xiàn)性度；(2)電阻選用溫度系數(shù)穩(wěn)定的錳銅和銅線(xiàn)繞制。(3)橋式整流二極管要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的篩選，其特性要保持一致。直流電壓變送器的特點(diǎn)：其輸出端并有時(shí)間常數(shù)較大的慣性元件，所以對(duì)暫態(tài)量的響應(yīng)速度慢，一般在0.1～0.3s之間。

變送器的誤差交流電壓變送器是將電壓互感器二次輸出的100V交流電壓變換成所需要的交流電壓。還有隔離的作用。特點(diǎn)：這種變送器的輸出端沒(méi)有大電容并接，其響應(yīng)速度在25～50ms之間，因此，這種變送器目前廣泛用于檢測(cè)裝置中用于采集暫態(tài)信息。

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：

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完全一致。二、交流電壓、電流變送器二、交流電壓、電流變送器PT

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：

這實(shí)際上是一個(gè)精密全波整流電路，它的特點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單和線(xiàn)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(xiàn)校驗(yàn)這類(lèi)變送器時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)表是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。二、交流電壓、電流變送器作用：是將交流電流變換成與之成線(xiàn)性關(guān)系的直流電流。直流電流變送器一次繞組接至電流互感器的二次側(cè)，將交流電流i變換成與之成線(xiàn)性關(guān)系的直流電流I0，為了可調(diào)，電流變送器的一次繞組設(shè)有抽頭。三、直流電流變送器

圖6-6直流電流變送器原理接線(xiàn)三、直流電流變送器四、功率變送器

圖6-7功率變送器原理接線(xiàn)

Bs910雙脈沖寬調(diào)制器的輸入電壓UAB和UBC經(jīng)高阻降壓和變換，形成兩路脈沖信號(hào)τAB和τBC

作為乘法器BS904的乘數(shù)輸入之一分流器經(jīng)過(guò)分流器L獲得的和

信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)與電流

和

成正比，作為乘法器BS904的另一乘數(shù)輸入

BS904乘法器將輸入的電流和電壓相乘而形成功率，該乘法器的輸出是與功率成比例的電壓U0

功率變送器的任務(wù)是把輸入的電流和電壓變換成與功率成比例的直流電壓。四、功率變送器單相有功功率變送器單相有功功率變送器1、單相功率變送器

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：電路中，PT、CT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---Uu和Ui的夾角四、功率變送器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(xiàn)(三相二元件)和三相四線(xiàn)(三相三元件)二類(lèi)。其測(cè)量原理是相同的，僅是其接線(xiàn)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)單相功率變送器相加，從而得到三相功率變送器，其基本電路如下：

送器的輸出

四、功率變送器3、無(wú)功功率變送器

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：

式中k為比例系數(shù)，可由電路設(shè)定。因Ubc滯后于Ua90°,因此公式可變換為：Uout=k√3UaIacos(90°-φ)=k√3UaIasinφ即Up正比于A相的無(wú)功功率，由于跨相法的輸入線(xiàn)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(xiàn)的方法來(lái)測(cè)量無(wú)功功率，則必須引入相應(yīng)的接線(xiàn)系數(shù)，這在相應(yīng)的檢定規(guī)程中已有規(guī)定。乘法器的輸出電壓

Uout=kUbcIacosφ

電量變送器的任務(wù)是通過(guò)采集到的電壓和電流獲得所需要的電量。

有功、無(wú)功功率變送器得到的直流輸出電壓Uo是與有功功率P和無(wú)功功率Q成正比的，如將該直流電壓Uo對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，即可得到所要求的電量。

五、電量變送器五、電量變送器

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FP、GP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。圖6-8電量變送器原理結(jié)構(gòu)

電壓頻率變換器組件并—串行碼輸出串行可逆計(jì)數(shù)器分頻器（100）Uo極性判別U/F功率變送器至顯示器并行插頭不停電電源串行計(jì)數(shù)器電量變送器的工作情況：功率變送器的輸出電壓U經(jīng)過(guò)BS907的U/F器件，U/F將輸出一串重復(fù)頻率正比于其輸入電壓U的等幅脈沖，經(jīng)過(guò)分頻系數(shù)為100的分頻器后輸出至F端，在BS907“＋／一”輸出的控制下，串行計(jì)數(shù)器BS920對(duì)F端輸入的等幅脈沖進(jìn)行加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)，以達(dá)到對(duì)電量的累計(jì)。頻率變送器的任務(wù)：將電力系統(tǒng)的頻率偏差變成一個(gè)與之成正比的直流電壓或直流電流。測(cè)頻原理：若頻率變送器所輸出的矩形波電壓的幅值為±E，矩形波脈沖寬度為10ms，矩形波脈沖的周期為T(mén)，則其輸出的直流平均電壓Uo為：六、頻率變送器

圖6-9頻率變送器的原理接線(xiàn)

圖中220V的交流信號(hào)由20端子輸入，100v的交流信號(hào)由21端子輸入。交流電壓輸入BS900電源組件后，產(chǎn)生8V的電壓，供差頻/電壓變換器BS908用。同時(shí)還產(chǎn)生20V交流電壓作為BS908的輸入信號(hào)，也作為顯示組件BS913的工作電源。頻差／電壓變換器BS908將頻差變換成直流電壓和直流電流，輸出的直流電壓經(jīng)過(guò)標(biāo)度電位計(jì)分壓后送入BS913顯示組件中進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后，獲得頻差的數(shù)字及符號(hào)。功率總加器的作用：為了獲得功率的總和。核心元件就是一個(gè)高精度的運(yùn)算放大器構(gòu)成的加法器

七、功率總加器圖6-10功率總加器原理接線(xiàn)

輸入的電壓UPn（n=1、2、3…..12）是與功率成比例的，U1至U8都接入A點(diǎn)，其功率是相加的輸入的電壓UPn（n=1、2、3…..12）是與功率成比例的，U9至U12接入B點(diǎn)，其功率是相減的總加器BS906輸出電壓是所有輸入電壓UPn（n=1、2、3…..12）的代數(shù)和，即其輸出電壓與輸人功率的代數(shù)和成正比。BS906輸出電壓經(jīng)BS