圖2:Rogowski線圈的示意圖。
數(shù)字處理在典型智能電表所需的長使用壽命內提供可靠的性能,并克服了模擬元件隨時間和溫度漂移所帶來的問題,這將導致較大的測量誤差。此外,模擬組件可能會引入需要相位校準的輕微相位變化。數(shù)字積分器具有一致且準確的相位響應。高速32位微處理器的成本和功耗下降使得數(shù)字集成變得越來越可行,并且可以通過使用軟件開關使單個電表設計與電流互感器或Rogowski線圈兼容,并且可以接受 - 集成功能的更高處理負載。
盡管Rogowski線圈不像電流互感器那樣容易受到篡改,但如果不采取補救措施,有些方法可能會影響信號。線圈本身受外部磁場的影響,可能導致錯誤的讀數(shù)。然而,仔細設計線圈以抵消磁場通常可有效防止磁性篡改。影響傳感器的另一種機制是使用電感耦合。法拉第籠可用于防止這種情況以及阻止電容耦合的影響。
電流傳感器次級繞組與通過它的導體或母線之間存在小電容。如果母線具有高電壓電位(電網(wǎng)供電的情況),則交流信號將通過該小電容并影響電流傳感器的輸出。在電流傳感器周圍放置金屬屏蔽可以減少這種影響,但不一定能完全消除它。 Pulse Electronics制造的電流傳感器,如PA320XNL系列,使用特別設計的法拉第屏蔽,非?拷渭壚@組。屏蔽可防止高壓母線的交流信號影響輸出,消除了電容耦合的影響。
與電流互感器相比,Rogowski線圈傳感器可以做成開放式。由于它們沒有金屬芯,它們可以用鉸鏈制成兩個部分,并夾在導體上而不是需要分開的導體上,這樣它就可以通過電流傳感器的中心。不同形狀和尺寸有許多可能性,可以隨時使用母線和圓形導線。
另一種非接觸式解決方案是霍爾效應傳感器,盡管這通常不能提供分流電阻,電流互感器或Rogowski線圈的高精度。因此,霍爾效應傳感器往往在公用事業(yè)儀表中使用較少,準確計費至關重要。然而,他們正在智能電網(wǎng)應用中尋找應用,在這些應用中,他們?yōu)樵O備級能源監(jiān)控制作合適,易于應用的傳感器,分析數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)的效率或分析可再生能源系統(tǒng)的性能。
像Rogowski線圈或電流互感器一樣無接觸,霍爾效應傳感器不需要電流隔離。與Rogowski線圈提供的導數(shù)相比,霍爾效應傳感器還提供直流讀數(shù)。它們本質上是電子的,它們開始利用集成來預處理信號,使其進入典型微控制器的A/D轉換器的范圍。
圖3:IMC結構將磁場通量聚焦到集成傳感器中的霍爾效應元件上。
Melexis的MLX91205是霍爾效應傳感器的一個例子,其設計易于靠近導體組裝。標準CMOS工藝用于制作電流傳感器。附加的鐵磁層,也稱為集成磁性集中器(IMC),在簡單的后處理步驟中添加。鐵磁層放大磁場并將其集中在霍爾元件上。 IMC本身由直接粘合到霍爾傳感器芯片表面的高滲透,低矯頑場,非晶鐵磁層組成。 IMC用于將磁場通量線集中到霍爾元件上,霍爾元件大約是IMC尺寸的十分之一。
IMC的兩個部分收集并放大平行于芯片表面的小磁通量,并將面內分量局部旋轉到垂直于芯片表面的磁場中。傳統(tǒng)的霍爾傳感器對垂直于其表面的磁場敏感,而IMC霍爾傳感器對平行于其表面的磁場敏感。
IMC-Hall傳感器采用標準塑料SOIC-8封裝,因此可以使用標準的貼片機將其安裝到印刷電路板(PCB)上,并使用傳統(tǒng)的焊接技術進行焊接。測量的電流直接通過位于傳感器下方的PCB的當前軌道發(fā)送,或者傳感器可以安裝在電流導體下方一小段距離。
圖4:具有并聯(lián)場感應的IMC霍爾傳感器可以安裝在載流PCB走線的頂部,或者安裝在有線導體或母線下方。
傳感器的電流范圍受導體和屏蔽幾何形狀的限制。通過增加母線的橫截面或傳感器與電流導體之間的距離,可以容易地增加電流范圍。傳感器可監(jiān)控PCB上的5A至100 A或母線上的電流高達1000 A.
隨著霍爾效應技術的發(fā)展并與片上處理相結合,我們可以期望精度和功率處理隨著時間的推移而改進,為系統(tǒng)設計人員提供更多選擇,因為功率測量變得更加普遍。
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