一、電量變送器概述

電量變送器是指將被測電壓、電流信號轉變?yōu)闃藴?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬量或數(shù)字量輸出的測量裝置。

電量變送器依據(jù)轉換參量可以分類，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，一般稱為單參數(shù)電量變送器。

事實上，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準模擬量輸入的二次儀表或控制保護裝置相連。

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，以適應某些復雜應用，出現(xiàn)了多參數(shù)電量變送器。多參數(shù)電量變送器其實就是多個單參數(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電參數(shù)測試儀或連接一個多參數(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)的應用。

然而，多參數(shù)測試儀在實際應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，實際應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。由于產品種類繁多，也大大增加了研發(fā)成本、維護成本和管理成本。

3、隨著變頻調速技術的發(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計。隨著變頻調速技術的發(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，電動汽車電機基波頻率可達1000Hz左右，牽引電機，變頻空調電機的最低基波頻率可達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，諧波含量可達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)生相應的變化，變頻電量的波形無明顯規(guī)律可循。

面對復雜的變頻電量，傳統(tǒng)的針對工頻或其它頻率正弦波設計的電量變送器已經(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)相關電參量的測量。在如今日益嚴重的電網(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。

三、萬用型電量變送器基本構思

諸多不足嚴重阻礙了多參數(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！

事實上，對于非正弦電參量，面對各種不同的應用，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、拋棄針對應用而產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端口輸出一個特征值的方式，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、頻率和相位對應唯一的正弦電量。依據(jù)傅里葉變換理論，任意復雜的周期信號，均可分解為多個不同幅值、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換過程中，不應對被測電量的幅值、頻率和相位信息造成過大的改變。

1、頻率要求

輸入通道具有足夠寬的頻帶，確保被測信號不失真的進入變送器測量電路。

2、幅值要求

為了滿足寬范圍內的高精度測量，萬用型電量變送器每個輸入通道均設置了8個檔位，每個檔位只測量在本檔位量程的50%~100%范圍內的信號，實現(xiàn)了256倍動態(tài)范圍內的高準確度測量。采用無縫自動轉換量程技術，檔位切換時，數(shù)據(jù)不丟失的特點可滿足寬幅值范圍內的動態(tài)測量，全面記錄被測信息，不放過每一個細節(jié)變化。

3、相位要求

相位指標是影響功率測量準確度的重要指標，對于用于功率測量的電量變送器，相位指標至關重要，萬用型電量變送器應保證信號在變換過程中，應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，二次儀表或上位機可對萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號進行還原，得到被測原始信號。

二次儀表或上位機對萬用型電量變送器輸出的數(shù)字信號進行各種運算，可以得到各種不同的特征值。

為了實現(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，或采樣頻率不能做到足夠高，應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計為雙通道輸入，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）信號調理電路、AD轉換器、串并轉換電路等等。

其中，電壓（電流）變換電路、信號調理電路及量程轉換電路將不同幅值的輸入電壓（電流）信號變換為AD可接受的標準電壓信號（如±5V），標準電壓信號經(jīng)抗混疊濾波器限制帶寬后進入AD轉換器。AD轉換器在同步源自動選擇電路及采樣時鐘發(fā)生器的控制下對輸入信號進行采樣，輸出數(shù)字信號經(jīng)過FIFO緩沖后打包處理并經(jīng)過串并轉換器轉換為串行數(shù)據(jù)輸出，輸出連接二次儀表或上位機。

頻率測量電路主要用于同步源和采樣時鐘的控制，同時，準確的信號頻率也是上位機進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成原理

六、萬用型電量變送器典型應用

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，即可提高測量系統(tǒng)的電磁兼容性，又可實現(xiàn)二次儀表與被測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、電動汽車電機、開關電源適配器、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，電壓準確測量范圍為100mV～25.6V，電流準確測量范圍為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的所有有源傳感器配套使用。

DT212B型數(shù)字變送器，電壓準確測量范圍為5V～1280V，電流準確測量范圍為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)字變送器及相關上位機系統(tǒng)構成的便攜式變頻器諧波測試儀。

圖6 萬用型電量變頻器構建的便攜式變頻器諧波測試儀

圖中DH2000數(shù)字主機用于接收來自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相連，上位機編制相關軟件，即可實現(xiàn)便攜式變頻器諧波測試儀。編制不同的軟件還可實現(xiàn)電能質量分析儀、變頻功率分析儀、雙通道示波器等等高性能虛擬儀器。

變頻調速技術的廣泛應用、新能源技術的發(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。

審核編輯 黃宇