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在电力电子领域提供高精度功率分析的电流测量方法

2019-03-13

各种电力电子应用要求对诸如功率调节器的功率转换效率,逆变器和电动机的效率以及电抗器损耗等特性进行高精度功率(电流和电压)测量。本文将讨论的重点缩小到当前的测量方法,并介绍了Hioki作为利用专有技术的电流传感器和功率分析仪的长期开发人员的一些专业知识。Uij电子头条

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电流测量方法Uij电子头条

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功率分析仪通常通过直接连接方法(图1 [a])或电流传感器方法(图1 [b])测量电流。以下提供了每种方法的特征的详细描述。Uij电子头条

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图1:直接连接方法(a)和电流传感器方法(b)Uij电子头条

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直接连接方法Uij电子头条

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在直接连接方法中,通过将来自被测物体的导线布线到功率分析仪并将它们连接到仪器的电流输入端子来测量电流。测量原理本身非常简单,其优点是可以使用功率分析仪独立测量电流,使其成为多年来事实上的方法。但是,由于电流导线必须长距离布线,并且功率分析仪的电流输入部分必须插入被测物体的电路中,因此存在以下缺点:Uij电子头条

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1.条件不同于实际操作的特征Uij电子头条

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2.由于长导线的导线电阻,损耗增加。Uij电子头条

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3.电容耦合发生在各个导线之间以及导线和地之间,导致高频漏电流增加。 Uij电子头条

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例如,关于上述ii)中描述的效果,使用No.6AWG线的5米运行将具有大约6.5m 2的线电阻。如果被测电流为30 A,则此布线电阻造成的损耗为5.85 W.尽管仅根据该值无法对损耗的大小作出任何判断,但对于某些电流来说,这将是太大而无法忽略测量功率值。 Uij电子头条

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另外,当使用直接连接方法时,通常通过分流电阻来测量电流。这种分流电阻方法存在以下缺点:Uij电子头条

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1.当电流流入分流电阻时,焦耳热量与电流的平方成正比,发生在电阻中。只要焦耳热导致仪器损失,自加热将改变分流电阻本身的电阻值,这将进一步恶化测量精度。 Uij电子头条

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2.为了限制这种加热,使用具有低电阻值的分流电阻。然而,当使用小的分流电阻来测量大电流时,即使是微小的电感分量也不容忽视,这会降低频率特性。  Uij电子头条

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这些缺点中的每一个都显着恶化了电流和功率测量精度,从而在测量大电流时要求谨慎。Uij电子头条

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图2:分流电阻的自加热Uij电子头条

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图2说明了当20 A的电流流过2m分流电阻时发生的自加热过程。为了进行比较,电路连接了额定电流为50 A的Hioki CT6862电流传感器。您可以看到,由于焦耳热引起的自热,分流电阻的温度上升到约50°C。相比之下,电流传感器主要不受焦耳热和相关自热的影响,仪器损耗和传感器自身温度特性对测量精度的影响可以忽略不计。 Uij电子头条

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如上所述,直接连接方法非常适用于测量约1 A的非常小的电流,其中分流电阻的焦耳热的影响足够小,例如测量电子设备的待机功率或测量LED照明的功耗。Uij电子头条

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电流传感器方法Uij电子头条

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电流传感器方法是一种用于测量电流的方法,其中电流传感器连接到被测设备上的导线,并且来自传感器的输出信号(电流或电压)被输入到功率分析器中。Uij电子头条

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电流传感器方法可用于测量其工作状态下的目标,并且在测量大电流时几乎完全没有自热意味着对测量精度没有影响。电流传感器方法在以高精度测量大约5A或更大的大电流时优于直接连接方法,并且通常用于电力电子领域。 Uij电子头条

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图3示出了可以以高精度测量的电流值的近似范围以及直接连接方法和电流传感器方法的相关通用频带。请注意,仅仅因为某个值超出图中所示的范围,并不一定意味着无法使用相关方法进行测量。 Uij电子头条

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图3:直接连接方法和电流传感器方法:可以高精度测量的电流值和频带的近似范围*从图中所示的范围中排除并不一定意味着无法测量值。Uij电子头条

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使用电流传感器方法进行高精度功率测量Uij电子头条

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如上所述,当测量超过5A的电流时,通常使用电流传感器方法。虽然电流传感器方法没有与直接连接方法相同的缺点,但仍有许多必须采取的预防措施。牢记在于以高精度测量电流。本节概述了这些预防措施。 Uij电子头条

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选择合适的电流传感器Uij电子头条

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使用电流传感器方法的高精度,高可再现功率测量假定选择合适的电流传感器。具体选择标准包括以下两个考虑因素:Uij电子头条

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1.电流传感器的额定电流值必须适合待测电流的大小。Uij电子头条

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2.要测量的电流的所有频率分量必须落在电流传感器的可测量频带内。 Uij电子头条

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此外,应牢记以下注意事项:Uij电子头条

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3.电流传感器必须提供足够的测量精度水平,该精度在整个可测量频段内定义。Uij电子头条

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4.必须定义所有误差因子,例如输出噪声,温度特性,导体位置效应,外部磁场效应,磁化效应和电流传感器的共模电压效应,并且其幅度必须足够小。Uij电子头条

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选择电流传感器时需要充分注意。特别地,关于考虑因素iii),大多数电流输出传感器的幅度和相位精度仅针对DC和50 / 60Hz频率定义,并且其他频率范围的准确度仅供参考。 Uij电子头条

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值得注意的是,使用电流传感器方法的高精度电流测量取决于电流传感器和具有足够性能水平的功率分析仪的可用性。Uij电子头条

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包括电流传感器的功率测量系统的整体优化Uij电子头条

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如上所述简单地选择合适的电流传感器不是使用电流传感器方法进行高精度功率测量的充分条件。此外,有必要优化整个功率测量系统,包括电流传感器。即使电流传感器以极高的精度检测目标电流,如果传感器的输出信号在到达功率分析仪之前降低,也不可能以类似的高精度测量电流。Uij电子头条

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图4:典型的功率测量系统Uij电子头条

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图4示出了包括电流传感器的典型功率测量系统。如上所述,一些电流传感器产生电流输出,而其他电流传感器产生电压输出。由于电流输出传感器比电压输出传感器更常用,因此本讨论将假设使用电流输出传感器。Uij电子头条

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必须满足以下条件,以确保电流传感器的输出信号可以传输到功率分析仪而不会降级。Uij电子头条

1.传感器必须使用高质量的电源,并且必须正确接地。Uij电子头条

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2.多根电缆之间以及电缆与地之间的耦合电容必须很低,并且电缆的抗噪声性必须很高。Uij电子头条

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3.功率分析仪的电流输入必须提供良好的频率特性,几乎没有加热和高绝缘性能(高CMRR和低漏电流)。此外,仪器必须提供高抗噪性,并且必须正确接地。Uij电子头条

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通常,使用电流传感器,驱动传感器的电源和来自不同制造商的功率分析仪测量功率,并且电缆类型和接线方法取决于用户的判断。鉴于此,不言而喻,电流传感器制造商,功率分析仪制造商和传感器电源制造商极难确保上述所有条件都能满足任何给定的设置,即电流传感器的输出信号将到达功率分析仪而不会降级,并且目标电流实际上将以高精度测量。 Uij电子头条

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另一方面,Hioki是世界上唯一一家独立开发和设计电流传感器和功率分析仪的测试和测量仪器制造商,使我们能够提供构建完整功率测量系统所需的所有组件。Uij电子头条

Hioki功率测量系统提供以下功能:Uij电子头条

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1.我们使用电压输出电流传感器,在整个可测量频段内定义了精度。 Uij电子头条

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2.功率分析仪的电流输入专门设计用于电压输出电流传感器,并且优化了功率分析仪电流输入的传感器输出电压电平和输入电压电平。 Uij电子头条

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3.功率分析仪具有内置传感器电源,可在确定精度时为传感器提供动力,其质量与Hioki使用的质量相同。通过应用许多有意义的设计功能,例如为功率分析仪和传感器电源使用相同的接地并消除接地回路的原因,我们大大提高了测量精度和可重复性。Uij电子头条

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4.除了使用屏蔽线传输传感器输出作为抵消噪声的方法之外,Hioki还内置了调节传感器输出增益的功能,以补偿由电缆引起的微小电压下降。Uij电子头条

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此外,Hioki还将电流传感器和功率分析仪连接在一起,以评估内部和第三方认证机构的测量精度和噪声测试。 Uij电子头条

图5描绘了由Hioki电流传感器(CT6862,CT6863,9709,CT6841,CT6843和3274)和功率分析仪(PW6001)组成的功率测量系统,由第三方认证机构进行抗扰度测试。Uij电子头条

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通过精心设计每个单独的元素并将它们组合在一起以优化整个系统,Hioki准备为我们的客户提供世界一流的功率测量系统。Uij电子头条

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图5:第三方认证机构对Hioki电力测量系统的抗扰度测试Uij电子头条

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结论Uij电子头条

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为解决电力电子领域各种环境所需的高精度功率测量问题,本文重点介绍了当前的测量方法,并简要介绍了Hioki作为利用专有技术的电流传感器和功率分析仪的长期开发人员的一些专业知识。由于空间的限制,它无法覆盖或者只能顺便提及该主题的许多更详细的方面。Hioki期待将来向读者提供类似的信息。 Uij电子头条