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采用傳感器技術測量智能電網(wǎng)上的電能

時間:2019-01-23 16:40:44來源:網(wǎng)絡 作者:admin 點擊:次
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(jiān)控系統(tǒng)，需要準確地感知能源消耗。已經(jīng)開發(fā)了許多技術，其允許有效地測量電功率，每種技術都具有其自身的優(yōu)點和
放大器電路或數(shù)字集成。

采用傳感器技術測量智能電網(wǎng)上的電能

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，非常靠近次級繞組。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。

采用傳感器技術測量智能電網(wǎng)上的電能

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。

采用傳感器技術測量智能電網(wǎng)上的電能

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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