采用傳感器技術(shù)測量智能電網(wǎng)上的電能
智能電網(wǎng)所需的設備，如公用事業(yè)儀表和可再生能源以及設備監控系統，需要準確地感知能源消耗。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多技術(shù)，其允許有效地測量電功率，每種技術(shù)都具有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文將電流互感器，Rogowski線(xiàn)圈，霍爾效應傳感器和電阻分流器作為能量測量的選項。
電氣設備消耗的能量已成為一個(gè)主要問(wèn)題，它正在推動(dòng)大型政府計劃，如英國的智能電表推出，這將在不到兩年的時(shí)間內真正啟動(dòng)。每個(gè)電子智能電表都需要準確的方法來(lái)確定電流消耗。這種需求正在擴展到越來(lái)越多的系統，這些系統將連接到智能電網(wǎng)，例如可再生能源和白色家電和數據中心計算機，以便用戶(hù)可以跟蹤他們的能源使用情況。
在數據中心，業(yè)務(wù)用戶(hù)希望能夠使用單個(gè)機器或機架的實(shí)時(shí)電源使用信息來(lái)指導如何在其中分配作業(yè)。在家中，用戶(hù)可以監控重要的能源消費者，并使他們在高關(guān)稅期間自動(dòng)停用或停滯。功率傳感器設計者面臨的問(wèn)題是哪種技術(shù)最適合應用。
有四種基本類(lèi)型的傳感器技術(shù)可幫助確定電能：電流互感器，Rogowski線(xiàn)圈，電阻分流器和霍爾效應傳感器。需要使用哪一個(gè)取決于部署，該站點(diǎn)是從單相，分段階段還是從分配系統使用的所有三個(gè)階段獲取電力。
美國的家庭通常使用分相供電，可提供120 VAC或240 VAC。該架構通常要求電流互感器作為能量傳感器。歐洲的商業(yè)和大型住宅用地采用三相供電。單個(gè)家庭通常是單相的，可以使用簡(jiǎn)單的分流電阻傳感器實(shí)現儀表。三相系統將采用電流互感器或Rogowski線(xiàn)圈，后者傳統上更適合大型安裝。
電流分流器是最簡(jiǎn)單和最便宜的選擇，因為它只是一個(gè)低值電阻器，放置在從公用設施到房屋的電氣連接上。分流電阻兩端的電壓降與電流及其頻率成正比。但是，這種簡(jiǎn)單的設置有缺點(diǎn)。電流分流器本身需要很大，以便處理主電源中固有的高電流。即使這樣，自然加熱和它所吸收的能量也會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，這就是為什么這些分流器傾向于用于較小的家用設施。
為了限制功耗，電流分流器應具有數百微歐姆的電阻。因此，用于檢測電壓降的信號調理電路必須處理相對較小的值，通常小于10μV，要求使用敏感的運算放大器來(lái)增強信號。
寄生電感還可以在低功率因數下引入顯著(zhù)的相移，足以導致大的測量誤差。然而，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)旨在維持高功率因數的法規得到了一定程度的改善。
圖1：電流分流器的原理。
有些電阻器設計用于電流檢測，采用“開(kāi)爾文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，針對精密傳感和低功耗LVK系列進(jìn)行了優(yōu)化。這些是具有四個(gè)端子的電阻器，使得能夠通過(guò)兩個(gè)相對的引線(xiàn)施加電流并且在另外兩個(gè)引線(xiàn)上測量感測電壓。開(kāi)爾文配置有效地消除了引線(xiàn)的電阻和溫度系數，有助于在沒(méi)有大電壓降的情況下保持精度。
為了在多相情況下使用，電流分流器需要隔離，但它們具有通過(guò)使用強磁場(chǎng)而對篡改具有合理免疫力的好處，這會(huì )影響一些其他電流測量技術(shù)。由于其低成本，電流分流器可能用于非公用事業(yè)儀表，用于測量由家庭或辦公室中的電網(wǎng)供電的設備的能量消耗。
光耦合器提供了一種在電路中建立隔離的方法。為了簡(jiǎn)化隔離任務(wù)，ADI公司提供iCoupler系列。這些集成變壓器構建在CMOS基板之上，在該系列的isoPower成員的情況下，包括變壓器以將功率耦合到隔離屏障的另一側。這消除了在屏障的任一側構建單獨的電源的需要。
內置隔離的傳感器是電流互感器。它具有初級繞組磁芯，其通常由鐵制成，并具有次級繞組。在初級中流動(dòng)的AC在核心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在次級中感應出AC，其可以通過(guò)其所連接的電路來(lái)測量。對于公用事業(yè)儀表，電流互感器的正常形式是窗式，例如Talema集團的AC1050。通過(guò)窗式變壓器，導體穿過(guò)鐵芯的中心，提供單匝繞組。
電流互感器通常具有需要補償的小相位失真，尤其是在應用需要更復雜的測量時(shí)，例如無(wú)功和諧波能量測量。然而，電流互感器通常提供精確的電流讀數，并且適用于高電流系統，因為它不受電流分流器的自熱效應的影響。
電流互感器有缺點(diǎn)。導體必須分開(kāi)，以便電流傳感器可以滑到其上，這使安裝變得復雜。核心也容易被強大的永久磁鐵篡改。通過(guò)使鐵芯飽和，用戶(hù)可以確保傳感線(xiàn)圈不會(huì )拾取由電力線(xiàn)產(chǎn)生的AC場(chǎng)。 Rogowski線(xiàn)圈通過(guò)采用空芯來(lái)避免鐵芯飽和的問(wèn)題，空芯在強大的外部磁場(chǎng)的存在下不會(huì )飽和。 Rogowski線(xiàn)圈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要與導體直接接觸，線(xiàn)圈只需要纏繞導體。
Rogowski線(xiàn)圈電流傳感器的輸出與通過(guò)它的AC電流的一階導數成比例。結果，傳感器的輸出需要在它可以乘以初級電壓之前進(jìn)行積分，以提供功率讀數。因此，Rogowski線(xiàn)圈不能直接替代電流互感器，因為信號調理電子設備需要提供集成功能。工程師可以選擇是否使用模擬集成，通�；谶\算容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持
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