Virran tunnistustekniikat, joissa käytetään erilaisia ​​virta-antureita

Virta on erittäin kriittinen tekijä elektroniikassa tai sähkötekniikassa. Elektroniikassa virran kaistanleveys voi olla muutamasta nanoampeerista satoihin ampeereihin. Tämä alue voi olla paljon laajempi sähköalueella tyypillisesti useisiin tuhansiin ampeereihin, erityisesti sähköverkoissa. On olemassa erilaisia ​​menetelmiä virran havaitsemiseksi ja mittaamiseksi piirin tai johtimen sisällä. Tässä artikkelissa keskustellaan siitä, kuinka mitata virtaa käyttämällä erilaisia ​​virran tunnistustekniikoita niiden eduilla, haitoilla ja sovelluksilla.

Hall-ilmiöanturin virrantunnistusmenetelmä

Amerikkalaisen fyysikon Edwin Herbert Hall on löytänyt Hall Effectin, ja sitä voidaan käyttää nykyisen aistin tunnistamiseen. Sitä käytetään yleensä magneettikentän havaitsemiseen ja siitä voi olla hyötyä monissa sovelluksissa, kuten nopeusmittari, oven hälytys, DIY BLDC.

Hall-efektianturi tuottaa lähtöjännitteen magneettikentästä riippuen. Lähtöjännitteen suhde on verrannollinen magneettikenttään. Virran mittausprosessin aikana virta mitataan mittaamalla magneettikenttä. Lähtöjännite on hyvin matala ja se on vahvistettava hyödylliseen arvoon käyttämällä suurivahvistettua vahvistinta, jolla on erittäin matala melutaso. Hall Effect -anturi vaatii vahvistinpiirin lisäksi lisäpiirit, koska se on lineaarinen anturi.

Plussat:

1. Voidaan käyttää korkeammalla taajuudella.
2. Voidaan käyttää tarkasti sekä vaihtovirrassa että tasavirrassa.
3. Ei yhteyttä perustuva menetelmä.
4. Voidaan käyttää kovassa ympäristössä.
5. Se on luotettava.

Haittoja:

1. Anturi ajautuu ja vaatii kompensointia.
2. Lisäpiiri vaatii hyödyllistä lähtöä.
3. Kallis kuin shunttipohjainen tekniikka.

Hall Effect -antureita käytetään kiinnitysmittareissa sekä monissa teollisuuden ja autojen virrantunnistussovelluksissa. Monen tyyppiset lineaariset Hall-ilmiöanturit voivat havaita virran useista ampeereista tuhansiin ampeereihin. Tämän vuoksi Smart Grid Monitoring -sovellus käyttää myös erityyppistä Hall-efektianturia johtimen virran seuraamiseen.

Flux Gate -anturin virran tunnistustapa

Kyllästyvä induktori on Fluxgate-tunnistustekniikan pääkomponentti. Tämän vuoksi Fluxgate-anturia kutsutaan kyllästetyksi induktorivirta- anturiksi. Vuorausporttianturille käytetty induktoriydin toimii kyllästysalueella. Tämän induktorin kyllästystaso on erittäin herkkä ja mikä tahansa sisäinen tai ulkoinen vuon tiheys muuttaa induktorin kyllästystasoa. Ytimen läpäisevyys on suoraan verrannollinen kyllästystasoon, joten myös induktanssi muuttuu. Tämä induktorin arvon muutos analysoidaan virtausportti-anturilla virran havaitsemiseksi. Jos virta on suuri, induktanssi pienenee, jos virta on matala, induktanssi nousee korkeaksi.

Hall-efektianturi toimii samalla tavalla kuin fluxgate-anturi, mutta niiden välillä on yksi ero. Ero on ydinmateriaalissa. Flux Gate -anturi käyttää kyllästettävää induktoria, mutta Hall-efektianturi käyttää ilmansydämettä.

Yllä olevassa kuvassa on esitetty vuoväyläanturin perusrakenne. Kyllästettävän kelan sydämen ympärille on kääritty kaksi pää- ja toissijaista kelaa. Nykyisen virtauksen muutokset voivat muuttaa sydämen läpäisevyyttä, mikä johtaa induktanssin muutokseen toisen kelan yli.

Plussat:

1. Voi mitata laajalla taajuusalueella.
2. On erittäin tarkka.
3. Matala siirtymä ja ajelehtiminen.

Haittoja:

1. Suuri toissijainen virrankulutus
2. Ensisijaisen johtimen jännitteen tai virhemelun riskitekijä kasvaa.
3. Soveltuu vain tasavirtaan tai matalataajuiseen vaihtovirtaan.

Fluxgate-antureita käytetään aurinkosuuntaajissa virran havaitsemiseksi. Tämän lisäksi suljetun piirin AC- ja DC-virtamittaus voidaan tehdä helposti Flux Gate -antureilla. Flux Gate -virta-anturimenetelmää voidaan käyttää myös vuotovirran mittauksessa, ylivirran havaitsemisessa jne.

Rogowskin kelan virran mittausmenetelmä

Rogowskin kela on nimetty saksalaisen fyysikon Walter Rogowskin mukaan. Rogowski-kela valmistetaan kierteisen muotoisen ilmansydämen kelan avulla ja kääritään kohdistetun johtimen ympärille virran mittausta varten.

Yllä olevassa kuvassa Rogowski-kela on esitetty lisäpiireillä. Lisäpiiri on integraattoripiiri. Rogowskin kela tarjoaa lähtöjännitteen riippuen johtimen virranmuutosnopeudesta. Lisäintegraattoripiiri tarvitaan virran kanssa verrannollisen lähtöjännitteen muodostamiseksi.

Plussat:

1. Se on hyvä tapa havaita nopea korkeataajuinen virranmuutos.
2. Turvallinen käyttö toissijaisen käämityksen käsittelyssä.
3. Edullinen ratkaisu.
4. Joustavuus käsittelyssä avoimen silmukan rakenteen ansiosta.
5. Lämpötilan kompensointi ei ole monimutkaista.

Haittoja:

1. Soveltuu vain vaihtovirtaan
2. Herkkä kuin virtamuuntajalla.

Rogowski-kelalla on laaja käyttöalue. Esimerkiksi virran mittaus suurissa tehomoduuleissa, erityisesti MOSFET-laitteiden tai suuritehoisten transistoreiden tai IGBT: n kautta. Rogowski-kela tarjoaa joustavan mittausvaihtoehdon. Koska Rogowskin käämin vaste on erittäin nopea transienttien tai suurtaajuisten sinimuotoisten aaltojen yli, on hyvä valinta mitata suurtaajuusvirran transientteja sähkölinjoissa. Rogowski-kela tarjoaa sähkönjakelussa tai älyverkossa erinomaisen joustavuuden virtamittauksiin.

Virtamuuntajan virran tunnistustapa

Virtamuuntajaa tai CT: tä käytetään virran tunnistamiseen toissijaisella jännitteellä, joka on verrannollinen sekundäärikäämin virtaan. Teollinen muuntaja muuntaa suuren jännitteen tai virran arvon paljon pienemmäksi arvoksi toissijaisessa kelassaan. Mittaus tehdään toissijaisen lähdön poikki.

Yllä olevassa kuvassa rakenne on esitetty. Se on ihanteellinen CT-muuntaja, jonka ensisijainen ja sekundäärinen suhde on 1: N. N riippuu muuntajan teknisistä tiedoista. Lisätietoja muuntajista on täällä.

Plussat:

1. Suuri virrankäsittelykapasiteetti, enemmän kuin muut tässä artikkelissa esitetyt menetelmät.
2. Älä vaadi lisäpiirejä.

Haittoja:

1. Vaatii huoltoa.
2. Hystereesi tapahtuu magnetisaation takia.
3. Suuri primäärivirta kyllästää ferriittisydämen materiaalit.

CT-muuntajapohjaisen virtatunnistustekniikan pääasiallinen käyttö on sähköverkossa erittäin korkean virranmittauskyvyn vuoksi. Harvat kiinnitysmittarit käyttävät myös virtamuuntajaa vaihtovirran mittaamiseen.

Shunt-vastusvirran mittausmenetelmä

Tämä on käytetyin menetelmä nykyisissä tunnistustekniikoissa. Tämä tekniikka perustuu Ohmin lakiin.

Pieniarvoista vastusta sarjassa käytetään virran tunnistamiseen. Kun virta kulkee pieniarvoisen vastuksen läpi, se tuottaa jännite-eron vastuksen yli.

Otetaan esimerkki.

Oletetaan, että 1A virtaa kulkee 1 ohmin vastuksen läpi. Ohmin lain mukaan jännite vastaa virran x vastusta. Siksi, kun 1 A virtaa virtaa 1 ohmin vastuksen läpi, se tuottaa 1 V vastuksen yli. Vastuksen teho on kriittinen tekijä, joka on otettava huomioon. Markkinoilla on kuitenkin myös hyvin pieniarvoisia vastuksia, joissa vastus on miliohmialueella. Tällöin myös vastuksen jännite-ero on hyvin pieni. Suurivahvistinta tarvitaan jännitteen amplitudin lisäämiseksi ja lopuksi virta mitataan käänteisen laskentaperustan avulla.

Vaihtoehtoinen lähestymistapa tämän tyyppiselle virrantunnistustekniikalle on käyttää piirilevyjohtoa shuntivastuksena. Koska piirilevyn kuparijälki tarjoaa hyvin pienen vastuksen, sen avulla voidaan mitata virtaa. Tällaisessa vaihtoehtoisessa lähestymistavassa useat riippuvuudet ovat myös valtava huolenaihe saada tarkka tulos. Tärkein pelin muutostekijä on lämpötilan ajelehtiminen. Lämpötilasta riippuen jälkivastus muuttuu, mikä johtaa virhetulokseen. Tämä virhe on korvattava sovelluksessa.

Plussat:

1. Erittäin kustannustehokas ratkaisu
2. Voi toimia vaihtovirralla ja tasavirralla.
3. Lisävarusteita ei tarvita.

Haittoja:

1. Ei sovellu suurempaan virrankäyttöön lämmöntuotannon takia.
2. Shuntmittaus vähentää tarpeettomasti järjestelmän tehokkuutta vastuksen läpi kulkevan energianhukan vuoksi.
3. Lämpötaivutus antaa virhetuloksen korkean lämpötilan sovelluksessa.

Shunt-vastuksen sovellus sisältää digitaalisen vahvistimen. Tämä on tarkka ja halvempi menetelmä kuin Hall-tehosensori. Shuntivastus voi myös tarjota matalan vastusreitin ja antaa sähkövirran kulkea yhden pisteen toiseen piirin toiseen pisteeseen.

Kuinka valita oikea virran tunnistustapa?

Oikean menetelmän valinta nykyistä tunnistusta varten ei ole vaikea asia. Oikean menetelmän valinnassa on otettava huomioon muutama tekijä, kuten:

1. Kuinka paljon tarkkuutta tarvitaan?
2. DC- tai AC-mittaus vai molemmat?
3. Kuinka paljon virrankulutusta tarvitaan?
4. Mikä on mitattava nykyinen alue ja kaistanleveys?
5. Kustannukset.

Muiden kuin hyväksyttävien herkkyyden ja häiriöiden hylkäämisen lisäksi on otettava huomioon. Koska kaikkia tekijöitä ei voida tyydyttää, jotkut kompromissit tehdään kompromisoimaan yksi ominaisuus toisen kanssa riippuen sovellusvaatimuksen prioriteetista.