感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更智能化的節(jié)能

當(dāng)今世界，能量計(jì)量是資源保護(hù)和計(jì)費(fèi)的關(guān)鍵。 在諸如歐盟《大型燃燒設(shè)施指令》等各種規(guī)范的倡議下，關(guān)閉火力電廠會(huì)迫使電網(wǎng)更多地依賴再生能源。 反過(guò)來(lái)，這會(huì)提升用電需求管理和鼓勵(lì)消費(fèi)行為改變的重要性。 世界各國(guó)政府都在開(kāi)始推廣智能電表，旨在為公用事業(yè)公司和用戶提供管理電力供應(yīng)和削減用電需求所需的信息，以確保在應(yīng)對(duì)氣候變化時(shí)保持電網(wǎng)穩(wěn)定。

用戶改用智能電表尚需要時(shí)間，但家用能源用量顯示設(shè)備（圖 1）早已投入使用。 這種設(shè)備可以向用戶實(shí)時(shí)顯示能源消耗數(shù)據(jù)，方便用戶找到節(jié)能機(jī)會(huì)。 電表柜中安裝的傳感器裝置會(huì)先采集電流測(cè)量數(shù)據(jù)，再通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到家中的接收器和顯示裝置，能量和功率計(jì)算便以此精確數(shù)據(jù)為依據(jù)。 電流傳感器必須便于安裝，對(duì)現(xiàn)有電表和接入家中的主供電電纜的干擾也要盡可能小。最理想的是將傳感器夾在供電電纜上即可，無(wú)需接入內(nèi)部電路。

圖 1：家用能源用量顯示器（含夾合式傳感器和信息顯示裝置）可顯示能源用量數(shù)據(jù)，無(wú)需全面升級(jí)智能電表。

設(shè)備管理和保護(hù)感測(cè)

除現(xiàn)在新興的智能能源應(yīng)用外，隔離式電流傳感器在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中也有諸多作用，例如幫助確保設(shè)備高能效作業(yè)、即時(shí)檢測(cè)設(shè)備故障或協(xié)調(diào)安全聯(lián)鎖裝置。 可檢測(cè)電流范圍大，小到幾毫安，大到數(shù)十或數(shù)百安。 用量信息傳輸?shù)?PLC 后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)或采取校正措施（圖 2）。

圖 2：設(shè)備和外部電路的電流相依控制。

功率因數(shù)校正 (PFC) 廣泛用于提高能效，防止交流線路出現(xiàn)諧波污染。 除校正電容器組連接到輸入端的情況外，大型電機(jī)等高電感負(fù)載的功率因數(shù)通常較低。 功率因數(shù)最低時(shí)負(fù)載最重，所需電容也最高。 然而在負(fù)載較輕時(shí)，如果電容未減少，則可能發(fā)生過(guò)度校正。 根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電機(jī)輸入電流，系統(tǒng)可檢測(cè)所加負(fù)載情況。 如負(fù)載減輕，電流動(dòng)作開(kāi)關(guān)就可以斷開(kāi) PFC 電容器，防止校正過(guò)度。

如自動(dòng)化工廠設(shè)備發(fā)生故障，盡快檢測(cè)故障并采取補(bǔ)救措施十分重要。 例如工業(yè)爐的控制，或需要精確控制加熱溫度的藥品生產(chǎn)流程。 為避免生產(chǎn)效率下降，任何加熱器元件發(fā)生故障，都必須迅速對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，但溫度監(jiān)測(cè)無(wú)法快速檢測(cè)故障。 如果直到溫度已發(fā)生顯著變化才采取措施，那么就會(huì)危及品質(zhì)并浪費(fèi)寶貴的材料。 如果在元件故障時(shí)檢測(cè)到電流驟降，則會(huì)發(fā)出即時(shí)指示，繼而觸發(fā)及時(shí)響應(yīng)，例如啟用備用加熱器。

同理，通過(guò)感測(cè)電機(jī)的輸入電流，可立即檢測(cè)輸送帶堵塞等問(wèn)題，電流測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)輸送到 PLC，從而促使電機(jī)快速停止，確保安全。

電流感測(cè)技術(shù)在工業(yè)設(shè)備中的另一應(yīng)用就是管理安全連鎖裝置。 安全聯(lián)鎖裝置可以設(shè)計(jì)用來(lái)保護(hù)操作人員的安全，防止在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)防護(hù)裝置被打開(kāi)。 另一方面，聯(lián)鎖裝置還可防止設(shè)備受損，或促進(jìn)協(xié)調(diào)生產(chǎn)流程，確保各驅(qū)動(dòng)器和致動(dòng)器僅按照正確的順序工作。 由于電流消耗情況可以可靠地顯示子系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀況，因此電流動(dòng)作開(kāi)關(guān)成為了協(xié)調(diào)這些聯(lián)鎖裝置的最佳方法。

最后，在積極采取舉措提升工業(yè)安全的同時(shí)，除了主斷路器常安裝的保護(hù)電路外，接地故障保護(hù)電路正成為每臺(tái)機(jī)器的標(biāo)配。 使用接地故障傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電纜中的電流，可快速、安全地檢測(cè)出細(xì)微漏電流（接地電路故障征兆）。

電流傳感器的選擇

一款傳感器是否能用于電流動(dòng)作開(kāi)關(guān)、故障檢測(cè)器和電表電路，要考慮的重要屬性包括：電氣隔離以確保最佳安全性、對(duì)監(jiān)測(cè)電路而言的極低功耗，以及易用性和低成本。 根據(jù)應(yīng)用的不同，測(cè)量范圍、頻寬、耐惡劣環(huán)境的性能也是重要的標(biāo)準(zhǔn)。 霍爾傳感器、電流互感器和羅氏線圈是符合上述要求的三類(lèi)重要傳感器。

霍爾傳感器

霍爾效應(yīng)電流傳感器會(huì)對(duì)載流導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)作出反應(yīng)，并產(chǎn)生與導(dǎo)體中電流成比例的輸出電壓。 典型的線性電流傳感器由磁芯和含有霍爾元件的 IC 組成，磁芯用于聚集霍爾效應(yīng) IC 上的磁通量。 IC 和磁芯位于塑料外殼中，這樣可確保兩個(gè)元件的精確相對(duì)定位。

Infineon TLI4970 霍爾傳感器內(nèi)含積分-差分霍爾元件，不需要集中器。 由于不需要集中器，也就消除了磁滯效應(yīng)；差動(dòng)感測(cè)原理的使用也避免了外部磁場(chǎng)對(duì)當(dāng)前測(cè)量的干擾。 TLI4970 將霍爾傳感器集成于模擬和數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)電路旁（圖 3），所占空間約為類(lèi)似傳感器的 1/6。 它能測(cè)量高達(dá) ±50 A 的交流和直流電流。盡管其他傳感器（例如，羅氏線圈和電流互感器）通常在測(cè)量范圍內(nèi)的線性度更具優(yōu)勢(shì)，但高電流測(cè)量能力依然是霍爾傳感器眾所周知的優(yōu)點(diǎn)。

圖 3：TLI4970 可消除磁滯效應(yīng)，節(jié)省 PCB 空間。

電流互感器

電流互感器一直以來(lái)用于開(kāi)關(guān)模式電源等設(shè)備的控制、電路保護(hù)和監(jiān)測(cè)工作，同樣也用于在儀表應(yīng)用中執(zhí)行精確電流測(cè)量。 這些器件可測(cè)量交流電流，且可在初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間形成電氣隔離。

初級(jí)繞組的額定電流可有效控制測(cè)量范圍，高匝數(shù)比也就意味著高測(cè)量精度。 根據(jù)電流互感器和應(yīng)用的不同，匝數(shù)比可能在 1:20 至 1:1000 范圍之間。 匝數(shù)比過(guò)高會(huì)增強(qiáng)電流互感器中的電容和電感效應(yīng)，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。 另一方面，選擇的匝數(shù)比過(guò)低會(huì)因?yàn)檩敵?a target="_blank">信號(hào)失真而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。

電流互感器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，適合測(cè)量大電流的設(shè)備尺寸也會(huì)很大。 另一方面，小型表面封裝電流互感器，例如 Murata 5300 系列適用于電機(jī)控制器、開(kāi)關(guān)模式電源和電子照明鎮(zhèn)流器等設(shè)備，可測(cè)量最高約 10 A，最大頻寬 500 kHz 的電流。

典型電流互感器纏繞在環(huán)形金屬芯上，載流電纜須從中穿過(guò)。 或者，采用分離鐵心設(shè)計(jì)，將電流互感器夾在電纜上。 這樣令傳感器的安裝更加簡(jiǎn)單，以家用數(shù)據(jù)顯示器為例。CR Magnetics CR4100 系列真 RMS AC 電流傳感器就能精確測(cè)量正弦或非正弦電流波形，訂購(gòu)規(guī)格分為環(huán)形配置和分離鐵心配置。

羅氏線圈傳感器

相比于霍爾形傳感器或電流互感器，采用羅氏線圈原理的電流傳感器所占有的優(yōu)勢(shì)明顯。 這些優(yōu)勢(shì)包括：在未飽和時(shí)測(cè)量大電流、頻寬比其他傳感器要大、測(cè)量平均每微秒變化幅度高達(dá)數(shù)千 A 的電流。 此外，還可測(cè)量 DC 偏移較大的小 AC 電流。

羅氏線圈電流傳感器位于載流導(dǎo)體周?chē)鐖D 4 所示。 導(dǎo)體中的流動(dòng)電流會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電壓大小與電流的變化速率成比例。 對(duì)此電壓積分運(yùn)算后，即可計(jì)算出瞬態(tài)電流的大小。 集成電路不論是外置，還是內(nèi)置于傳感器中，都可在輸出端產(chǎn)生與電流成比例的電壓。 由于線圈沒(méi)有與載流電路建立電氣連接，這就暗示羅氏線圈電流傳感器具有電氣絕緣性。

圖 4：羅氏線圈位于要測(cè)量載流電纜的周?chē)?/p>

羅氏線圈電流傳感器可測(cè)量的電流范圍廣泛，小到數(shù)百毫安，大到數(shù)百千安。Pulse Electronics 的傳感器不僅種類(lèi)繁多，其中包括 PA320 系列，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為 0.1 A 至 1000 A,頻寬 500 kHz，還具有相當(dāng)高的測(cè)量精度，符合 ANSI C12.20 標(biāo)準(zhǔn)的 0.2 精度等級(jí)和 IEC 62053-21 標(biāo)準(zhǔn)的 1 類(lèi)規(guī)格。 這使得該傳感器可用于智能電表的精確電流測(cè)量。

結(jié)論

不論是計(jì)量應(yīng)用中的高精度電流測(cè)量，還是利用高速電流監(jiān)測(cè)來(lái)協(xié)助管理工業(yè)機(jī)械和即時(shí)監(jiān)測(cè)重大故障，設(shè)計(jì)人員都可從霍爾效應(yīng)電流傳感器、電流互感器和羅氏線圈電流傳感器中靈活選擇，實(shí)現(xiàn)能夠滿足性能、可靠性和成本等重要目標(biāo)的解決方案。