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新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2018-10-09 09:13 ? 次閱讀

電力系統中的各電站、調度室、變電所及冶金、化工各類工礦企業中的生產流程、油田開發等各個領域,當為DDZ-Ⅱ,DDZ-Ⅲ電動單元組合遠動裝置、Foxboro Micro 761可編程數字調節器、電子計算機、巡檢、自動化控制系統提供所要求的模擬量輸入信號時,需要將被測交流電量(電壓或電流)轉換成線性比例輸出的直流模擬電量,它是實現電控設備自動化過程中不可缺少的環節之一。為此,我們設計了一種新型交流電壓變送器,可將0~240V工頻(50Hz)電壓線性轉換成直流0~10V、0~10mA和4~20mA信號。應用情況表明該轉換器設計合理、轉換精度高、帶負載能力強、抗電沖擊性能好,使用效果良好。

1 變送器組成、功能及主要技術指標

1.1 變送器組成

圖1為電壓變送器組成原理框圖。從圖中可看出,系統分為以下幾部分:

(1)變壓器及分壓電路 考慮到檢波電路對輸入電壓的要求,利用變壓器及分壓電路將0~240V 線性轉換為0~5V.

(2)AC/DC轉換電路 利用負反饋對一般的二極管檢波電路進行校正,使轉換特性線性化,將0~5V輸入線性轉換為0~10V直流輸出。

(3)V/I轉換電路 它是系統的電流輸出環節,其作用是將檢波電路輸出的直流電壓線性變換為雙路0~10mA、4~20mA電流信號輸出。

(4)基準電源 為AC/DC轉換電路和V/I轉換電路提供所需的直流電源及偏置電壓。

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

圖1 變送器組成原理框圖

1.2 變送器功能

該變送器有一路輸入通道(0~240V 通道)和三路輸出通道(0~10V通道,4~20mA 通道,0~10mA通道)。根據需要,三條輸出通道可分別單獨輸出或并行輸出。

對三條輸出通道中的每一路,變送器內部都設有滿量程調整電位器,可非常方便地調整儀表的量程。另外,對4~20mA輸出,儀表還設有零點調整電位器,以便進行零點的調整。前面板設有0~250V交流及0~10V直流電壓表0~10mA和4~20mA直流電流表各一塊,并配有轉換開關,可隨時觀察輸入信號及轉換的輸出信號變化。

1.3 變送器主要技術指標

輸入交流信號量程:0~240V;

輸出直流信號量程:0~10V;

0~10mA;

4~20mA;

負載電阻:0~10V ≥5KΩ;

0~10mA 為0~1.5KΩ;

4~20mA 為0~500Ω;

基本誤差:≤0.5%

工作環境:溫度0~40℃

相對濕度:≤85%.

運行方式:能在額定負載下連續工作。

2 工作原理與分析

2.1 AC/DC轉換電路原理

圖2是輸入交流電壓0~5V,輸出直流電壓0~10V的AC/DC轉換電路原理圖。該電路由同相運放電路A1、線性檢波電路A2、有源濾波電路A3、反相放大電路A4構成。整個轉換電路的電源由基準電源提供。

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

圖2 AC/DC轉換電路工作原理圖

圖中A1構成轉換電路的輸入級,由于線性檢波器A2采用并聯負反饋運放,其輸入阻抗較低。因此在A2前加接一級同相運放A1后不僅能提高輸入阻抗,還可提高靈敏度,從圖中可看出,Vout1=2Vin,因Vin=0~5V,故Vout1=0~10V.

A2及D1、D2以及C1、R2、R3、R組成線性半波平均值檢波器。當輸入電壓Vout1為正半周期間,因Vout1從運放反相輸入端輸入,故運放輸出端A點的電壓為負值。由于這時運放工作于反相放大狀態,其反相輸入端為虛地點,接近零電位,而A點為負電位,故D2導通,A點被箝位于-0.6V左右,導致D1截止。顯然檢波器的輸出電壓Vout2為零。當輸入電壓Vout1為負半周期間,A點電壓為正值。那么D2截止,D1導通。這時,檢波器相當于反相運算放大器。在Vout2正、負一個周期內的輸出電壓可用下式表示:

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

因R2=R3=20kΩ,所以當Vout1≤0時,Vout2=-Vout1,其工作波形如圖3所示。由于在負半周檢波過程中二極管D1和運放A2相串聯,不處于負反饋

網絡內,在運放放大倍數很高條件下,很容易推導出檢波器閉環增益主要取決于反饋網絡的R3、C1及輸入電阻R2,而與D1無關。因此,由D1的伏安特性而引起的非線性影響將大大減小了。從而說明圖2的電路是一個線性檢波電路。在整個周期內,當Vout1=0~10V時,半波檢波的平均值電壓Vout2=0~4.5V.圖中C1起略微縮窄頻帶的作用,以濾去混入輸入信號中的極窄脈沖干擾。

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圖3 線性半波檢波波形圖

為獲得平滑的直流電壓Vout3以及帶負載能力,在檢波器后加接RC有源低通濾波器A3.當選用R6=20kΩ、C2=100uF/25V時,濾波器的截止頻率R6 C2/2π遠小于工頻頻率,濾波效果較好。

圖中A4為反相放大器,以提高靈敏度和擴大量程。R8選用50kΩ的電位器,通過調整R8,即可使輸入交流電壓為240V時,Vout4=10V,從而完成0~240V交流信號到0~10V直流信號的線性轉換輸出。

2.2 V/I轉換電路原理

圖4是輸入直流電壓0~10V,輸出直流電流0~10mA,帶負載能力0~1.5kΩ的轉換電路原理圖。該電路的輸入就是線性檢波電路的輸出,由于該電路引入了很強的電流串聯負反饋,因此輸出電流與輸入電壓具有良好的線性關系,且具有恒流性能。此電路中的A5設計為差動輸入放大電路,它將輸入信號Vout4與反饋信號Vf進行比較放大。復合管N1、N2的作用是擴大輸出電流,其中N1是反相放大器,N2是電流輸出級,輸入電壓Vout4經電阻R10加到運放反相輸入端,輸出電流Iout流經R15及Rf得到反饋電壓Vf,此電壓經電阻R12、R13加到A5的兩個輸入端,下面分析該電路輸出電流與輸入電壓的關系。

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圖4 直流0~10V/0~10mA轉換電路

假設A5為理想運算放大器,反饋電阻R15、R16和負載電阻RL分別遠小于對應電阻R9+R12及R10+R13,則R12,R13支路的分流作用可忽略不計,設A5正、反相輸入端電壓分別為VM、VN,B點與動觸點C對地的電壓分別為VB、VC.

則有

VM=VN(1)

VB-VC=Vf(2)

Vf-Iout(R15+Rf)(3)

(4)

(5)

取R9=R10=100kΩ,R12=R13=20kΩ,由(4)式減去(5)式得:

(6)

將(1)式和(2)式帶入(6)式得

(7)

將(3)式代入(7)式得

Vout4=5Iout(R15+Rf)

則:

由上式可見,當運放開環增益足夠大時,輸出電流Iout與輸入電壓Vout4的關系僅與反饋電阻R15+Rf大小有關,而與其他參數及負載電阻RL無關,因此電路具有恒流性能。

當取R15+Rf=200Ω,即Rf=50Ω時,若Vout4=0~10V,則得Iout=0~10mA

調節電位器R16動觸點C的位置,可改變反饋電阻Rf的阻值,從而改變反饋深度,來進行調節變送器的量程,使得Vi=240V時,Iout=10mA.

圖5是輸入直流電壓0~10V,輸出直流電流4~20mA,帶負載能力0~500Ω的轉換電路原理圖。該電路與0~10V/0~mA轉換電路結構類似,只是運放A6的同相輸入端不是直接接地,而是加一固定的負偏置電壓Vp,以便進行零點調整。

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

圖5 直流0~10V/4~20mA轉換電路

下面通過計算來確定輸入電壓與輸出電流Iout之間的關系。

設A6為理想運算放大器,Vout4為線性檢波器的輸出,A6正、反相輸入端及D點與動觸點E對地的電壓分別為VR、VS、VD、VE.輸出電流Iout在R23+Rf上得到的反饋電壓為Vf.與圖4 0~10V/0~10mA轉換電路公式推導相類似,輸入電壓Vout與輸出電流Iout之間的關系為

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹

由上式可見,當運放開環增益足夠大時,輸出電流Iout僅與輸入電壓Vout4、負偏置電壓VP、反饋電阻Rf大小有關,而與參數及負載電阻RL無關,因此該電路具有恒流性能。

當VP=-2.5V,Rf=50Ω時,若Vout4=0~10VDC,則有Iout=4~20mA.圖中RW是一零點調整電位器,通過調整RW,用來改變VP,進行變送器零點的調整,使得當變送器輸入直流電壓為0V時,Iout=4mADC;R24是一量程調整電位器,通過改變動觸點E的位置,可改變反饋電阻Rf的阻值,從而改變反饋深度,來進行調節變送器的量程,使得當變送器輸入交流電壓為240V時,Iout=20mA.

3 實驗結果及討論

3.1 實驗用主要儀器

除本文所介紹的交流電壓變送器之外,還使用了TDGC-1接觸調壓器(0.2級)一臺;ZX17-1十進位電阻箱(0.2級)一臺;C41-mA直流電流表(0.2級)一臺。

3.2 實驗結果

利用上述儀器對交流電壓變送器進行精度檢測實驗,實測數據見表1~3.

新型交流電壓變送器的組成、功能及主要技術指標介紹


注:負載電阻0~500Ω

實驗結果表明,對于較規則的正弦波而言,本文所介紹的交流電壓變送器完全能達到設計的主要技術指標要求,性能穩定可靠,準確度高,帶負載能強,使用效果良好,同時該變送器體積小、成本低,適用于電力系統

和其它工礦企業各種較規則的正弦波電壓到直流電壓或電流的線性轉換場合。但當電網電壓的波形失真較嚴重時,測量誤差稍大,為保證測量精度,可采用真有效值測量轉換的方法,此方法將另文發表。

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