一款0-2000Hz交直流通用的真有效值变送器设计
浙江涵普电力科技有限公司的研究人员徐国明、曹达等，在2015年第2期《电气技术》杂志上撰文，在发电机监测系统中，广泛使用了电压、电流变送器来监测发电机机端电压和电流。目前在国内市场上，交流变送器的输入信号频率一般限制在45Hz到55Hz，无法测量发电机启动阶段的低频电压电流。本文设计了一款测量发电机机端电压电流真有效值的变送器，通过磁平衡式霍尔电流互感器和AD536芯片的转换，将输入信号转换成直流电平。此变送器可测量0-2000Hz的电压电流信号，是一款交直流通用的变送器，有效解决了发电机启动阶段低频电压电流的测量问题。
一、设计背景
发电机在社会生产中起着非常重要的作用，因此对于发电机的监控非常重要。在发电机监测系统中，广泛使用了电压、电流变送器来监测发电机机端的电压电流。以随时监测发电机的状态。
发电机从启动到稳定运行是需要一定时间的。在发电机启动后，轮机转速会从零逐渐往上升，相应的电压电流频率也会从零逐渐上升，直到最后稳定到50Hz左右。因此在发电机刚启动时，电压电流频率是非常低的，甚至不到5Hz。
目前在国内市场上，常规交流变送器往往采用电压或电流互感器方式进行信号采样，而常规电压、电流互感器对于采样信号频率是有限制的，频率太低或太高均无法正常工作。另外常规变送器转换电路也对输入信号频率有较大限制。受制于这些原因，常规交流变送器的输入信号频率一般局限于45Hz到55Hz，无法测量发电机启动阶段的低频电压电流信号。
目前国内用于监测发电机机端电压电流的变送器，一般采用的是日本进口的RS系列变送器，不仅价格昂贵，而且一旦损坏后维护非常麻烦。而国内市场上的交流变送器又无法测量低频电压电流，难以替换日本进口的RS系列变送器。
因此，本文设计了一款用于监测发电机机端电压电流的变送器，输出规格为4-20mA，采用真有效值计算，可准确测量0-2000Hz的电压电流信号，做到了交直流通用，可有效解决低频信号的测量问题，填补了国内变送器市场低频信号测量的空白。
二、原理框图
此方案设计的变送器工作原理共分为4个部分，分别是：信号采样、真有效值交直流转换、信号调理和4-20mA电流输出。
变送器原理框图如图1所示
图1 原理框图
下面分别介绍这4个部分。
三、信号采样
本方案中，电压变送器的电压输入信号采用电阻分压的方式进行采样，采样电路如图2所示。
图2 电压采样电路
图3 电流采样电路
本方案中，电流变送器的电流输入信号采用磁平衡式霍尔电流互感器采样，可以对低频信号进行准确采样。电流采样电路如图3所示。
磁平衡式霍尔电流互感器工作时，原边I1*N1产生的磁场B1被感应到霍尔元件上，产生信号使功率管导通，从而获得补偿电流I2，电流I2*N2产生的磁场B2与I1*N1产生的磁场B1方向相反，并不断增加，直到与磁场B1相等，实现电流互感器的零磁通，即磁平衡状态。此时I1*N1= I2*N2。因此采样电流I2= I1*N1 / N2。采样电流通过电阻Rm转换成电压信号输出。
四、真有效值交直流转换
电压和电流信号采样进来后，接下来需要进行信号交直流转换，此方案采用一块AD536芯片来完成这一转换。
AD536是一款真有效值到等效直流电平转换的模拟集成电路，可以保证对失真正弦波和非正弦波信号测量的准确性。AD536可计算交流和直流信号，实现了输入信号交直流通用的设计目的。该芯片测量带宽为300K (信号大于100mV)，可以实现高频采样。AD536采用激光校准对输入输出补偿，无需外部调整即可达到0.2%的精度。
此方案中采用了14管脚封装的AD536芯片，AD536接线图如图4：
图4 AD536接线图
五、信号调理与隔离
电流采样信号由于使用了霍尔电流互感器采样，所以已经实现了电气隔离。在经过AD536芯片转换后，只需要进行信号调理即可，主要包括零点补偿、满度调整等调理电路。
电压采样信号由于是电阻分压方式采样，因此在信号调理前，还需要进行电气隔离，此设计采用了线性光耦进行隔离，信号隔离电路如图5所示：
图5 信号隔离电路
线性光耦工作时，AD536转换后的直流电平通过运放驱动光耦中的LED灯，形成电流IF，LED灯驱动两个特性十分相近的光敏二极管PD1和PD2，最终由光敏二极管PD2产生一个正比于LED光强度的光电流I PD2输出，从而实现了光电隔离。
六、4-20mA电流输出
信号经过AD536转换、电气隔离和信号调理后，接下来需要设计一个电路，把直流信号转换成不受输出负载影响的4-20mA直流输出。
直流4-20mA输出电路图如图6：
图6 直流4-20mA输出电路图
图6中直流电平经过调理电路和电气隔离得到电压V1，经过运放U2后获得稳定的电压V2，V2=(R12 / R8) * V1，电压V2经过R13转换成4-20mA电流输出，即Iout≈V2 / R13＝4-20mA，输出电流Iout由运放U2驱动三极管T1后提供。AO+和AO-分别表示模拟量输出的正极和负极。
七、测试结果
变送器样机输出规格为4-20mA，测试数据的输入信号包括了不同频率的电压和电流，以及直流电压和电流，误差采用引用误差，公式如下：误差=(实际输出-标准输出)／(满度输出-零点输出)
满度输出=20mA，零点输出=4mA。
测试结果如表1、表2所示：
表1 电压测试结果(额定电压100V)
表2 电流测试结果(额定电流1A)
八、结束语
本文设计的变送器样机经过测试，可以准确测量交流和直流信号，做到了交直流两用。无论是测量低频还是高频交流信号，都可以满足0.5%的精度要求，很好地实现了设计目的。
此变送器适用于需要测量低频和高频交流信号的场合，特别适合用于监测发电机机端的电压电流，可以完全替代日本进口的RS系列变送器，既可以降低成本，也方便了现场维护，具有很强的实用性。填补了变送器国内市场的一项空白。