采用傳感器技術(shù)測(cè)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(zhǎng)使用壽命內(nèi)提供可靠的性能，并克服了模擬元件隨時(shí)間和溫度漂移所帶來(lái)的問(wèn)題，這將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。此外，模擬組件可能會(huì)引入需要相位校準(zhǔn)的輕微相位變化。數(shù)字積分器具有一致且準(zhǔn)確的相位響應(yīng)。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(lái)越可行，并且可以通過(guò)使用軟件開(kāi)關(guān)使單個(gè)電表設(shè)計(jì)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(fù)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(bǔ)救措施，有些方法可能會(huì)影響信號(hào)。線圈本身受外部磁場(chǎng)的影響，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)。然而，仔細(xì)設(shè)計(jì)線圈以抵消磁場(chǎng)通常可有效防止磁性篡改。影響傳感器的另一種機(jī)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(jí)繞組與通過(guò)它的導(dǎo)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(hào)將通過(guò)該小電容并影響電流傳感器的輸出。在電流傳感器周?chē)胖媒饘倨帘慰梢詼p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(shè)計(jì)的法拉第屏蔽，非常靠近次級(jí)繞組。屏蔽可防止高壓母線的交流信號(hào)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(kāi)放式。由于它們沒(méi)有金屬芯，它們可以用鉸鏈制成兩個(gè)部分，并夾在導(dǎo)體上而不是需要分開(kāi)的導(dǎo)體上，這樣它就可以通過(guò)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(shí)使用母線和圓形導(dǎo)線。
另一種非接觸式解決方案是霍爾效應(yīng)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(yīng)傳感器往往在公用事業(yè)儀表中使用較少，準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)至關(guān)重要。然而，他們正在智能電網(wǎng)應(yīng)用中尋找應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，他們?yōu)樵O(shè)備級(jí)能源監(jiān)控制作合適，易于應(yīng)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(wú)接觸，霍爾效應(yīng)傳感器不需要電流隔離。與Rogowski線圈提供的導(dǎo)數(shù)相比，霍爾效應(yīng)傳感器還提供直流讀數(shù)。它們本質(zhì)上是電子的，它們開(kāi)始利用集成來(lái)預(yù)處理信號(hào)，使其進(jìn)入典型微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的范圍。
圖3：IMC結(jié)構(gòu)將磁場(chǎng)通量聚焦到集成傳感器中的霍爾效應(yīng)元件上。
Melexis的MLX91205是霍爾效應(yīng)傳感器的一個(gè)例子，其設(shè)計(jì)易于靠近導(dǎo)體組裝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝用于制作電流傳感器。附加的鐵磁層，也稱(chēng)為集成磁性集中器（IMC），在簡(jiǎn)單的后處理步驟中添加。鐵磁層放大磁場(chǎng)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(chǎng)，非晶鐵磁層組成。 IMC用于將磁場(chǎng)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(gè)部分收集并放大平行于芯片表面的小磁通量，并將面內(nèi)分量局部旋轉(zhuǎn)到垂直于芯片表面的磁場(chǎng)中。傳統(tǒng)的霍爾傳感器對(duì)垂直于其表面的磁場(chǎng)敏感，而IMC霍爾傳感器對(duì)平行于其表面的磁場(chǎng)敏感。
IMC-Hall傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)塑料SOIC-8封裝，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的貼片機(jī)將其安裝到印刷電路板（PCB）上，并使用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。測(cè)量的電流直接通過(guò)位于傳感器下方的PCB的當(dāng)前軌道發(fā)送，或者傳感器可以安裝在電流導(dǎo)體下方一小段距離。
圖4：具有并聯(lián)場(chǎng)感應(yīng)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(dǎo)體或母線下方。
傳感器的電流范圍受導(dǎo)體和屏蔽幾何形狀的限制。通過(guò)增加母線的橫截面或傳感器與電流導(dǎo)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(dá)1000 A.
隨著霍爾效應(yīng)技術(shù)的發(fā)展并與片上處理相結(jié)合，我們可以期望精度和功率處理隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多選擇，因?yàn)楣β蕼y(cè)量變得更加普遍。
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