Trenutne tehnike zaznavanja z uporabo različnih tokovnih senzorjev

Tok je zelo pomemben dejavnik v elektroniki ali elektrotehniki. V elektroniki ima lahko tok pasovno širino od nekaj nano amperov do stotine amperov. Ta obseg je lahko v elektroenergetskem področju veliko večji do nekaj tisoč amperov, zlasti v električnih omrežjih. Obstajajo različne metode za zaznavanje in merjenje toka znotraj vezja ali vodnika. V tem članku bomo razpravljali o merjenju toka z različnimi tehnikami zaznavanja toka z njihovimi prednostmi, slabostmi in aplikacijami.

Metoda zaznavanja toka senzorja Hall-ovega učinka

Hall Effect odkrije ameriški fizik Edwin Herbert Hall in z njim lahko zazna tok. Običajno se uporablja za zaznavanje magnetnega polja in je lahko uporaben v številnih aplikacijah, kot so merilnik hitrosti, alarm za vrata, DIY BLDC.

Hall Effect senzor proizvaja izhodno napetost, odvisno od magnetnega polja. Razmerje izhodne napetosti je sorazmerno z magnetnim poljem. Med postopkom zaznavanja toka se tok meri z merjenjem magnetnega polja. Izhodna napetost je zelo nizka in jo je treba ojačati na uporabno vrednost z uporabo ojačevalnika z visokim ojačanjem z zelo nizkim šumom. Poleg ojačevalnega vezja senzor Hall Effect zahteva še dodatno vezje, saj je linearni pretvornik.

Prednosti:

1. Lahko se uporablja pri višjih frekvencah.
2. Natančno se lahko uporablja tako v izmeničnem kot v enosmernem toku.
3. Nekontaktna metoda.
4. Lahko se uporablja v grobem okolju.
5. Je zanesljiv.

Slabosti:

1. Senzor zanese in zahteva kompenzacijo.
2. Za koristen izhod je potrebno dodatno vezje.
3. Dražja od tehnike na osnovi ranžiranja.

Hall Effect senzorji se uporabljajo v merilcih objemk, pa tudi v številnih aplikacijah zaznavanja toka v industriji in avtomobilih. Številne vrste linearnih senzorjev Hallovega učinka lahko zaznajo tok od več miliamp do tisoč amperov. Zaradi tega Smart Grid Monitoring Application uporablja tudi drugačno vrsto Hallovega senzorja za nadzor toka vodnika.

Način zaznavanja toka senzorja pretoka

Nasičen induktor je glavni sestavni del zaznavalne tehnike Fluxgate. Zaradi tega se senzor Fluxgate imenuje zasičen induktorski tokovni senzor. Jedro induktorja, ki se uporablja za senzor pretoka, deluje v območju nasičenja. Stopnja nasičenosti tega induktorja je zelo občutljiva in vsaka notranja ali zunanja gostota pretoka spremeni stopnjo nasičenosti induktorja. Prepustnost jedra je sorazmerna s stopnjo nasičenosti, zato se spremeni tudi induktivnost. To spremembo vrednosti induktorja analizira senzor pretoka, da zazna tok. Če je tok visok, postane induktivnost manjša, če je tok majhen, pa induktivnost postane velika.

Senzor Hall Effect deluje podobno kot senzor pretoka, vendar je med njima ena razlika. Razlika je v jedru materiala. Senzor Flux Gate uporablja nasičen induktor, senzor Hall Effect pa zračno jedro.

Na zgornji sliki je prikazana osnovna konstrukcija senzorja pretoka. Obstajata dve tuljavi, primarni in sekundarni, oviti okoli nasičenega jedra induktorja. Spremembe trenutnega toka lahko spremenijo prepustnost jedra, kar povzroči spremembo induktivnosti na drugi tuljavi.

Prednosti:

1. Lahko meri v širokem frekvenčnem območju.
2. Ima veliko natančnost.
3. Nizek odmik in premiki.

Slabosti:

1. Velika sekundarna poraba energije
2. Faktor tveganja se poveča za napetostni ali tokovni hrup v primarnem vodniku.
3. Primerno samo za enosmerni ali nizkofrekvenčni izmenični tok.

Senzorji pretoka se uporabljajo v solarnih pretvornikih za zaznavanje toka. Poleg tega lahko meritve izmeničnega in enosmernega toka v zaprti zanki enostavno izvedemo s pomočjo senzorjev Flux Gate. Metoda zaznavanja toka Flux Gate se lahko uporablja tudi pri merjenju toka uhajanja, zaznavanju prekomernega toka itd.

Metoda zaznavanja toka tuljave Rogowskega

Rogowski tuljava je dobila ime po nemškem fiziku Walterju Rogowskemu. Rogowski tuljava je narejena iz spiralne tuljave zračnega jedra in ovita okoli usmerjenega vodnika za merjenje toka.

Na zgornji sliki je tuljava Rogowskega prikazana z dodatnimi vezji. Dodatno vezje je integratorsko vezje. Rogowski tuljava zagotavlja izhodno napetost, odvisno od hitrosti spremembe toka v vodniku. Za izdelavo izhodne napetosti, ki je sorazmerna s tokom, je potrebno dodatno integratorsko vezje.

Prednosti:

1. To je dobra metoda za zaznavanje hitrih visokofrekvenčnih sprememb toka.
2. Varno delovanje v smislu ravnanja s sekundarnim navitjem.
3. Nizkocenovna rešitev.
4. Prilagodljivost pri rokovanju zaradi konstrukcije z odprto zanko.
5. Temperaturna kompenzacija ni zapletena.

Slabosti:

1. Primerno samo za AC
2. Ima nizko občutljivost kot tokovni transformator.

Rogowski tuljava ima širok spekter uporabe. Na primer, merjenje toka v velikih napajalnih modulih, zlasti na MOSFET-jih ali tranzistorjih velike moči ali na IGBT. Rogowski tuljava ponuja prilagodljivo možnost merjenja. Ker je odziv tuljave Rogowskega zelo hiter na prehodne ali visokofrekvenčne sinusne valove, je dobra izbira za merjenje visokofrekvenčnih prehodnih tokov v daljnovodih. V distribuciji moči ali v pametnem omrežju Rogowski tuljava zagotavlja odlično prilagodljivost za trenutne meritve.

Način zaznavanja toka transformatorja toka

Tokovni transformator ali CT se uporablja za zaznavanje toka s sekundarno napetostjo, ki je sorazmerna s tokom v sekundarni tuljavi. Industrijski transformator pretvori veliko vrednost napetosti ali toka v veliko manjšo vrednost v svoji sekundarni tuljavi. Meritev se izvede na sekundarnem izhodu.

Na zgornji sliki je prikazana konstrukcija. Je idealen CT transformator s primarnim in sekundarnim razmerjem 1: N. N je odvisen od specifikacij transformatorja. Več o transformatorjih preberite tukaj.

Prednosti:

1. Velika zmogljivost toka, večja kot druge metode, prikazane v tem članku.
2. Ne potrebujete dodatnih vezij.

Slabosti:

1. Zahteva vzdrževanje.
2. Do histereze pride zaradi magnetizacije.
3. Visoko primarni tok nasiči feritne jedrne materiale.

Tehnika zaznavanja toka, ki temelji na transformatorju CT, je v elektroenergetskem omrežju predvsem zaradi zelo visoke zmogljivosti merjenja toka. Nekaj ​​merilnikov vpenjalnih elementov uporablja tudi tokovni transformator za merjenje izmeničnega toka.

Metoda zaznavanja toka upornega upornika

To je najpogosteje uporabljena metoda v trenutnih tehnikah zaznavanja. Ta tehnika temelji na ohmskem zakonu.

Nizko vrednostni upor zaporedno se uporablja za zaznavanje toka. Ko tok teče skozi upor majhne vrednosti, ustvari napetostno razliko na uporu.

Vzemimo primer.

Recimo, da 1A toka teče skozi 1-ohmski upor. Po ohmovem zakonu je napetost enakovredna trenutnemu x uporu. Zato, ko 1A električnega toka skozi 1-ohm upor, da bo pripravila 1V na uporu. Moč upora je ključni dejavnik, ki ga je treba upoštevati. Vendar pa so na trgu na voljo tudi upori zelo majhne vrednosti, kjer je upor v območju mili-ohmov. V takem primeru je tudi napetostna razlika na uporu zelo majhna. Za povečanje amplitude napetosti je potreben visoko ojačevalni ojačevalnik, na koncu pa se tok izmeri z uporabo povratne osnove izračuna.

Alternativni pristop za tovrstno tehniko zaznavanja toka je uporaba sledov PCB kot ranžirnega upora. Ker ima bakrena sled PCB zelo majhno odpornost, jo lahko uporabimo za merjenje toka. Vendar pa je pri takšnem alternativnem pristopu veliko zaskrbljenosti za dosego natančnega rezultata tudi več odvisnosti. Glavni dejavnik, ki spreminja igro, je premikanje temperature. Odpornost na sled se spremeni, odvisno od temperature, kar povzroči napako. To napako v aplikaciji je treba nadomestiti.

Prednosti:

1. Zelo stroškovno učinkovita rešitev
2. Lahko deluje v izmeničnem in enosmernem toku.
3. Dodatna oprema ni potrebna.

Slabosti:

1. Ni primeren za obratovanje z večjim tokom zaradi odvajanja toplote.
2. Merjenje premika zagotavlja nepotrebno zmanjšanje učinkovitosti sistema zaradi izgube energije čez upor.
3. Toplotni premik zagotavlja napako pri uporabi pri visokih temperaturah.

Uporaba upornika Shunt vključuje digitalni ojačevalnik. To je natančna in cenejša metoda, razen senzorja Hall Effect. Razdelilni upor lahko zagotavlja tudi pot z majhnim uporom in omogoča, da električni tok prehaja eno točko v drugo točko v tokokrogu.

Kako izbrati pravilno metodo zaznavanja toka?

Izbira ustrezne metode za zaznavanje toka ni težka stvar. Za izbiro prave metode je treba upoštevati malo dejavnikov, kot so:

1. Koliko natančnosti je potrebno?
2. Meritev enosmernega ali izmeničnega toka ali oboje?
3. Koliko porabe energije potrebujete?
4. Kakšen je trenutni obseg in pasovna širina, ki jo je treba izmeriti?
5. Stroški.

Razen teh je treba razmisliti tudi o sprejemljivi občutljivosti in zavrnitvi motenj. Ker vseh dejavnikov ni mogoče zadovoljiti, so nekateri kompromisi, da bi ogrozili eno funkcijo z drugo, odvisno od prednostne zahteve aplikacije.