固態(tài)電能表包含電壓和電流傳感元件。電流感測(cè)要求是一個(gè)更困難的問題。電流傳感器不僅需要更寬的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，而且由于電流波形中諧波含量豐富，它還需要處理更寬的頻率范圍。

本文展示了如何使用數(shù)字積分器將 Rogowski 線圈電流傳感器輸出的 di/dt 信號(hào)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男盘?hào)，以及如何將其組合用于大電流電能表。

介紹

如今，最先進(jìn)的固態(tài)電能表采用混合信號(hào)架構(gòu)，使用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器前端和 DSP 后端。一些實(shí)現(xiàn)使用分立組件，而大多數(shù)實(shí)現(xiàn)使用專為能量測(cè)量而設(shè)計(jì)的 ASIC。這種混合信號(hào)架構(gòu)提供了卓越的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣之前，兩個(gè)信號(hào)都需要調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平。所有電能表都包含電壓和電流傳感元件。電流檢測(cè)是一個(gè)更困難的問題。電流傳感器需要更寬的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，由于電流波形中諧波含量豐富，它還需要處理更寬的頻率范圍。隨著家庭能源消耗的不斷增加，測(cè)量大電流的需求不再局限于工業(yè)應(yīng)用。例如，安裝在美國(guó)住宅市場(chǎng)的新電能表需要測(cè)量高達(dá) 200A 的最大電流。當(dāng)今的電流傳感技術(shù)不再能夠以非常經(jīng)濟(jì)的方式測(cè)量如此高的電流。

Rogowski 線圈長(zhǎng)期以來一直用于大電流測(cè)量，例如變電站變壓器和電弧焊接機(jī)。與其他電流傳感解決方案相比，它具有眾多優(yōu)勢(shì)。然而，構(gòu)建長(zhǎng)期穩(wěn)定的模擬積分器的困難使羅氏線圈無法用于計(jì)量應(yīng)用。本文介紹了 Rogowski 線圈的基本原理和積分器的最新數(shù)字實(shí)現(xiàn)。這種組合使這種電流傳感技術(shù)能夠成功地用于最近的大電流電能表設(shè)計(jì)中。由于這項(xiàng)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，這可能是下一代電能表的首選傳感器。

當(dāng)今的電流傳感解決方案

當(dāng)今最常見的三種傳感器技術(shù)是低電阻分流器、電流互感器 （CT） 和霍爾效應(yīng)傳感器。

低電阻分流器

電流分流器是當(dāng)今可用的成本最低的解決方案。該電流測(cè)量設(shè)備的簡(jiǎn)單模型如圖 1 所示。

圖 1. 具有寄生電感的分流器的簡(jiǎn)單模型

低電阻分流器以低成本提供良好的精度，并且電流測(cè)量很簡(jiǎn)單。在進(jìn)行高精度電流測(cè)量時(shí)，必須考慮分流器的寄生電感。電感通常只有幾個(gè) nH 的數(shù)量級(jí)。它會(huì)在相對(duì)較高的頻率下影響分流器的阻抗幅度。但是，即使在線路頻率下，它對(duì)相位的影響也足夠顯著，在低功率因數(shù)下會(huì)引起明顯的誤差。圖 2 顯示了由 200μΩ 分流器中的 2nH 電感引起的相移。

圖 2. 分流器自感引起的相移（200μΩ 分流器中為 2nH）

由電壓和電流信號(hào)路徑之間的任何相位不匹配引起的百分比測(cè)量誤差可以用以下公式近似：

在上述表達(dá)式中，φ 表示電壓和電流之間的功率因數(shù)相位角?？梢钥闯?，0.1° 的相位失配將在功率因數(shù)為 0.5 時(shí)導(dǎo)致大約 0.3% 的誤差。因此，需要特別注意確保電壓和電流的內(nèi)部信號(hào)路徑之間的相位精確匹配。

分流器成本較低且可靠。它是電能計(jì)量應(yīng)用的熱門選擇。然而，由于分流器本質(zhì)上是一個(gè)電阻元件，它產(chǎn)生的熱量與通過的電流的平方成正比。這種自熱問題使得分流器在大電流電能表中很少見。

電流互感器 （CT）

電流互感器 （CT） 是將初級(jí)電流轉(zhuǎn)換為較小的次級(jí)電流的變壓器。CT 是當(dāng)今大電流固態(tài)電能表中最常見的傳感器。CT 可以測(cè)量非常高的電流并且消耗很少的功率。由于磁化電流，CT 通常具有與之相關(guān)的小相移 （0.1°-0.3°）。如果未經(jīng)校準(zhǔn)，將在低功率因數(shù)下導(dǎo)致明顯的誤差（參見前面關(guān)于電流分流器中的寄生電感的討論）。此外，磁芯中使用的鐵氧體材料會(huì)在高電流下飽和。一旦磁化，磁芯將包含磁滯，除非再次退磁，否則精度會(huì)降低。圖 3 顯示了鐵氧體材料的典型磁滯曲線。

圖 3. 鐵氧體材料的磁滯曲線

當(dāng)電流浪涌超過 CT 的額定電流時(shí)，或者當(dāng)電流中有大量直流分量時(shí)（例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的半波

整流負(fù)載時(shí)），就會(huì)發(fā)生 CT 飽和。今天解決飽和問題的方法是使用具有非常高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。這通常涉及使用 Mu 金屬芯。但與傳統(tǒng)的鐵芯CT相比，這種CT的相移不一致，相移較大?；?Mu 金屬芯 CT 的電能表需要針對(duì)電流水平和溫度變化的多個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器主要有兩種類型：開環(huán)和閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。電能表中的大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器都使用開環(huán)設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)成本。霍爾效應(yīng)傳感器具有出色的頻率響應(yīng)，能夠測(cè)量非常大的電流。然而，該技術(shù)的缺點(diǎn)包括霍爾效應(yīng)傳感器的輸出具有較大的溫度漂移，并且通常需要穩(wěn)定的外部電流源。與 CT 相比，霍爾效應(yīng)傳感器不太常見。

羅氏線圈

一個(gè)簡(jiǎn)單的 Rogowski 線圈是一個(gè)電感器，它與承載初級(jí)電流的導(dǎo)體具有互感。Rogowski 線圈通常由空芯線圈制成，因此理論上沒有滯后、飽和或非線性。

如果電流 i（t） 在 z 軸上通過一根長(zhǎng)直導(dǎo)線，則在柱坐標(biāo)中坐標(biāo)為 （ρ， θ， z） 的隨機(jī)點(diǎn) P 處的磁場(chǎng)為：

空間中任何區(qū)域的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（EMF）可以使用麥克斯韋方程計(jì)算：

圖 4 顯示了 Rogowski 線圈電流傳感器的示例。它由 N 匝矩形空芯線圈組成，圍繞一根長(zhǎng)直導(dǎo)線排列，并垂直于導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

圖 4. 矩形空芯 Rogowski 線圈

這種布置中線圈的 EMF 為：

常數(shù)項(xiàng) M 表示羅氏線圈的互感，單位為亨利 （H）。它表示每單位di/dt 的線圈輸出的信號(hào)電平。線圈的電壓輸出僅依賴于初級(jí)電流的 di/dt 變化。因?yàn)橹挥性诖艌?chǎng)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生 EMF，所以不能用羅氏線圈來測(cè)量電流中的直流分量。此外，這種類型的傳感器可以輕松測(cè)量高達(dá)數(shù)千安培的交流電流。這就是為什么它在許多大電流測(cè)量應(yīng)用中如此有用的原因。它沒有鐵芯，因此在很寬的測(cè)量范圍（從數(shù)百安培到毫安）內(nèi)沒有非線性。

Rogowski 線圈的基本工作原理是通過互感測(cè)量初級(jí)電流。由于 Rogowski 線圈依賴于測(cè)量磁場(chǎng)，因此與 CT 相比，這種電流傳感器更容易受到外部磁場(chǎng)的干擾。以下重點(diǎn)介紹了盡量減少外部磁場(chǎng)干擾的幾個(gè)重要方面。

最小化不需要的循環(huán)區(qū)域

任何由導(dǎo)體形成的回路都會(huì)吸收磁場(chǎng)。因此，重要的是最小化不需要的環(huán)路面積以減少干擾拾取。例如，圖 5 顯示了一個(gè)環(huán)形空心 Rogowski 線圈。它旨在檢測(cè)圓環(huán)周圍的磁場(chǎng)。然而，繞組本身構(gòu)成了一個(gè)不希望的環(huán)路，使這種設(shè)計(jì)容易受到垂直于環(huán)的干擾。

圖 5. 不良環(huán)路可能導(dǎo)致對(duì)干擾的敏感性

具有干擾消除功能的設(shè)計(jì)

干擾本質(zhì)上通常是遠(yuǎn)場(chǎng)，因此將更均勻地分布在整個(gè)傳感器中。對(duì)于 Rogowski 線圈來說，區(qū)分遠(yuǎn)場(chǎng)干擾和近場(chǎng)信號(hào)是很重要的，并以遠(yuǎn)場(chǎng)干擾將在線圈內(nèi)抵消的方式設(shè)計(jì)線圈。例如，環(huán)形線圈的圓形形狀確保當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)干擾施加到線圈時(shí)存在相反的 EMF。

圖 6. 遠(yuǎn)場(chǎng)干擾在線圈的不同部分產(chǎn)生相反的 EMF

但是，請(qǐng)注意，完美的消除將需要完全均勻的繞組和

線圈的零阻抗。在實(shí)踐中，繞組的微小不均勻性和

非零線圈導(dǎo)線阻抗會(huì)在

Rogowski 線圈中產(chǎn)生一些干擾敏感性。

屏蔽

屏蔽可用于增加額外的保護(hù)。然而，為了屏蔽頻率與電源線頻率一樣低的磁場(chǎng)，需要使用厚屏蔽或高磁導(dǎo)率的屏蔽材料。如果在設(shè)計(jì) Rogowski 線圈時(shí)小心，可以避免屏蔽。

設(shè)計(jì)積分器

模擬方法

由于 Rogowski 線圈的輸出與電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比，因此需要積分器將 di/dt 信號(hào)轉(zhuǎn)換回i（t）的格式以進(jìn)行進(jìn)一步處理。傳統(tǒng)方法是使用高性能運(yùn)算放大器并構(gòu)建模擬積分器。圖 7 顯示了使用運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單積分器設(shè)計(jì)。

圖 7. 使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)積分器

這種模擬實(shí)施的最大挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種在儀表的長(zhǎng)工作壽命和惡劣工作環(huán)境下保持準(zhǔn)確的積分器。這是阻止 Rogowski 線圈被廣泛采用的主要缺點(diǎn)之一，即使在傳統(tǒng)的大電流工業(yè)儀表中也是如此。

數(shù)字積分器

為了克服這個(gè)問題。最近引入了數(shù)字實(shí)現(xiàn)。在頻域中，可以將積分視為 -20dB/decade 衰減和恒定的 –90° 相移。數(shù)字實(shí)現(xiàn)可以非常準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。圖 8 和圖 9 是在 Analog Devices 的ADE7759能量測(cè)量 ASIC中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字積分器的頻率響應(yīng)和詳細(xì)的相位響應(yīng)。

圖 8. 數(shù)字積分器從 10Hz 到 10kHz 的幅度響應(yīng)（增益在 60Hz 時(shí)歸一化為 0dB）

圖 9. 數(shù)字積分器的相位響應(yīng)（從 40Hz 到 70Hz）

如圖所示，數(shù)字積分器的相位和幅度響應(yīng)非常接近理想值。當(dāng)與具有片上數(shù)字積分器的 IC 接口時(shí)，使用羅氏線圈構(gòu)建儀表就像使用電流傳感器（如 CT 或分流器）一樣簡(jiǎn)單。空心線圈沒有滯后、飽和或非線性問題。此外，它還具有出色的大電流處理能力。數(shù)字實(shí)施的額外好處是隨著時(shí)間和環(huán)境變化它更加穩(wěn)定。由于電能表的惡劣工作條件和較長(zhǎng)的使用壽命，這些對(duì)于電能計(jì)量應(yīng)用非常重要。最近推出了基于 Rogowski 線圈和 ADE7759 的最大電流為 200 安培的住宅電能表。

下面的圖 10 顯示了 ADE7759 與 Rogowski 線圈電流傳感器在 1000:1 （60dB） 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的線性精度圖。在這個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，它只有不到 0.1%。

圖 10. Rogowski 線圈的線性精度

下表總結(jié)了所描述技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：

結(jié)論

隨著家庭能源消耗的不斷增加，人們對(duì)尋找能夠測(cè)量大電流而不會(huì)出現(xiàn)飽和問題的新型電流傳感器非常感興趣。Rogowski 線圈與數(shù)字積分器相結(jié)合，提供了具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的電流傳感技術(shù)，并可能成為下一代電能表的首選技術(shù)。