智能能源和自动化应用中的负载监控感测技术

感测技术实现更智能化的节能

当今世界，能量计量是资源保护和计费的关键。 在诸如欧盟《大型燃烧设施指令》等各种规范的倡议下，关闭火力电厂会迫使电网更多地依赖再生能源。 反过来，这会提升用电需求管理和鼓励消费行为改变的重要性。 世界各国政府都在开始推广智能电表，旨在为公用事业公司和用户提供管理电力供应和削减用电需求所需的信息，以确保在应对气候变化时保持电网稳定。

用户改用智能电表尚需要时间，但家用能源用量显示设备（图 1）早已投入使用。 这种设备可以向用户实时显示能源消耗数据，方便用户找到节能机会。 电表柜中安装的传感器装置会先采集电流测量数据，再通过无线传输将数据传送到家中的接收器和显示装置，能量和功率计算便以此精确数据为依据。 电流传感器必须便于安装，对现有电表和接入家中的主供电电缆的干扰也要尽可能小。最理想的是将传感器夹在供电电缆上即可，无需接入内部电路。

图 1：家用能源用量显示器（含夹合式传感器和信息显示装置）可显示能源用量数据，无需全面升级智能电表。

设备管理和保护感测

除现在新兴的智能能源应用外，隔离式电流传感器在工业自动化应用中也有诸多作用，例如帮助确保设备高能效作业、即时检测设备故障或协调安全联锁装置。 可检测电流范围大，小到几毫安，大到数十或数百安。 用量信息传输到 PLC 后，系统会发出警报或采取校正措施（图 2）。

图 2：设备和外部电路的电流相依控制。

功率因数校正 (PFC) 广泛用于提高能效，防止交流线路出现谐波污染。 除校正电容器组连接到输入端的情况外，大型电机等高电感负载的功率因数通常较低。 功率因数最低时负载最重，所需电容也最高。 然而在负载较轻时，如果电容未减少，则可能发生过度校正。 根据监测到的电机输入电流，系统可检测所加负载情况。 如负载减轻，电流动作开关就可以断开 PFC 电容器，防止校正过度。

如自动化工厂设备发生故障，尽快检测故障并采取补救措施十分重要。 例如工业炉的控制，或需要精确控制加热温度的药品生产流程。 为避免生产效率下降，任何加热器元件发生故障，都必须迅速对其进行检测，但温度监测无法快速检测故障。 如果直到温度已发生显著变化才采取措施，那么就会危及品质并浪费宝贵的材料。 如果在元件故障时检测到电流骤降，则会发出即时指示，继而触发及时响应，例如启用备用加热器。

同理，通过感测电机的输入电流，可立即检测输送带堵塞等问题，电流测量数据会输送到 PLC，从而促使电机快速停止，确保安全。

电流感测技术在工业设备中的另一应用就是管理安全连锁装置。 安全联锁装置可以设计用来保护操作人员的安全，防止在机器运转时防护装置被打开。 另一方面，联锁装置还可防止设备受损，或促进协调生产流程，确保各驱动器和致动器仅按照正确的顺序工作。 由于电流消耗情况可以可靠地显示子系统的开关状况，因此电流动作开关成为了协调这些联锁装置的最佳方法。

最后，在积极采取举措提升工业安全的同时，除了主断路器常安装的保护电路外，接地故障保护电路正成为每台机器的标配。 使用接地故障传感器来监测设备供电电缆中的电流，可快速、安全地检测出细微漏电流（接地电路故障征兆）。

电流传感器的选择

一款传感器是否能用于电流动作开关、故障检测器和电表电路，要考虑的重要属性包括：电气隔离以确保最佳安全性、对监测电路而言的极低功耗，以及易用性和低成本。 根据应用的不同，测量范围、频宽、耐恶劣环境的性能也是重要的标准。 霍尔传感器、电流互感器和罗氏线圈是符合上述要求的三类重要传感器。

霍尔传感器

霍尔效应电流传感器会对载流导体周围产生的磁场作出反应，并产生与导体中电流成比例的输出电压。 典型的线性电流传感器由磁芯和含有霍尔元件的 IC 组成，磁芯用于聚集霍尔效应 IC 上的磁通量。 IC 和磁芯位于塑料外壳中，这样可确保两个元件的精确相对定位。

Infineon TLI4970 霍尔传感器内含积分-差分霍尔元件，不需要集中器。 由于不需要集中器，也就消除了磁滞效应；差动感测原理的使用也避免了外部磁场对当前测量的干扰。 TLI4970 将霍尔传感器集成于模拟和数字信号调节电路旁（图 3），所占空间约为类似传感器的 1/6。 它能测量高达 ±50 A 的交流和直流电流。尽管其他传感器（例如，罗氏线圈和电流互感器）通常在测量范围内的线性度更具优势，但高电流测量能力依然是霍尔传感器众所周知的优点。

图 3：TLI4970 可消除磁滞效应，节省 PCB 空间。

电流互感器

电流互感器一直以来用于开关模式电源等设备的控制、电路保护和监测工作，同样也用于在仪表应用中执行精确电流测量。 这些器件可测量交流电流，且可在初级绕组和次级绕组之间形成电气隔离。

初级绕组的额定电流可有效控制测量范围，高匝数比也就意味着高测量精度。 根据电流互感器和应用的不同，匝数比可能在 1:20 至 1:1000 范围之间。 匝数比过高会增强电流互感器中的电容和电感效应，从而导致测量不准确。 另一方面，选择的匝数比过低会因为输出信号失真而导致测量不准确。

电流互感器的另一个缺点在于，适合测量大电流的设备尺寸也会很大。 另一方面，小型表面封装电流互感器，例如 Murata 5300 系列适用于电机控制器、开关模式电源和电子照明镇流器等设备，可测量最高约 10 A，最大频宽 500 kHz 的电流。

典型电流互感器缠绕在环形金属芯上，载流电缆须从中穿过。 或者，采用分离铁心设计，将电流互感器夹在电缆上。 这样令传感器的安装更加简单，以家用数据显示器为例。CR Magnetics CR4100 系列真 RMS AC 电流传感器就能精确测量正弦或非正弦电流波形，订购规格分为环形配置和分离铁心配置。

罗氏线圈传感器

相比于霍尔形传感器或电流互感器，采用罗氏线圈原理的电流传感器所占有的优势明显。 这些优势包括：在未饱和时测量大电流、频宽比其他传感器要大、测量平均每微秒变化幅度高达数千 A 的电流。 此外，还可测量 DC 偏移较大的小 AC 电流。

罗氏线圈电流传感器位于载流导体周围，如图 4 所示。 导体中的流动电流会在线圈中产生感应电压，电压大小与电流的变化速率成比例。 对此电压积分运算后，即可计算出瞬态电流的大小。 集成电路不论是外置，还是内置于传感器中，都可在输出端产生与电流成比例的电压。 由于线圈没有与载流电路建立电气连接，这就暗示罗氏线圈电流传感器具有电气绝缘性。

图 4：罗氏线圈位于要测量载流电缆的周围。

罗氏线圈电流传感器可测量的电流范围广泛，小到数百毫安，大到数百千安。Pulse Electronics 的传感器不仅种类繁多，其中包括 PA320 系列，动态测量范围为 0.1 A 至 1000 A,频宽 500 kHz，还具有相当高的测量精度，符合 ANSI C12.20 标准的 0.2 精度等级和 IEC 62053-21 标准的 1 类规格。 这使得该传感器可用于智能电表的精确电流测量。

结论

不论是计量应用中的高精度电流测量，还是利用高速电流监测来协助管理工业机械和即时监测重大故障，设计人员都可从霍尔效应电流传感器、电流互感器和罗氏线圈电流传感器中灵活选择，实现能够满足性能、可靠性和成本等重要目标的解决方案。