引言
監(jiān)測用電量已經(jīng)成為工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)管理電力裝置的關(guān)鍵要素,例如制造廠、數(shù)據(jù)中心、食品加工業(yè)、零售業(yè)、或教育機構(gòu)。LEM在3年前向市場推出了Wi-LEM系統(tǒng),該系統(tǒng)采用無線輔助計量組件EMN,等間隔動態(tài)測量用電情況(照明、HVAC、電機、加熱設(shè)備等)。當(dāng)初看來其測量范圍足夠?qū)?,計量范圍達(dá)100A。然而很快就發(fā)現(xiàn),這個測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能工業(yè)或負(fù)荷用電領(lǐng)域的測量需求,能量監(jiān)測通常從測量能量輸入端的總消耗著手-這需要2000A的量程,而當(dāng)初開發(fā)時忽略了這點。
因而,LEM開發(fā)出了適用于這些EMN裝置的RT系列電流傳感器,這種傳感器在安裝靈活方面,與較低測量范圍的開口鐵芯電流互感器相當(dāng),但是測量卻能達(dá)到輔助計量領(lǐng)域需要的1。Rogowski線圈很久以前就因安裝方便而聞名,只要克服了它的主要缺陷——對環(huán)路內(nèi)導(dǎo)體位置的敏感所導(dǎo)致的誤差,它就能提供合適的解決方案。
RT系列Rogowski線圈電流傳感器
從理論到實踐
在這里先簡單說明下Rogowski線圈的原理(“Die Messung der magnetischen Spannung”,Archiv für Elektrotechnik,1912)。Rogowski線圈是種自閉式線圈繞組,和螺旋形電流強度互感器樣纏繞在待測導(dǎo)體上,*卻重要的區(qū)別是它沒有磁芯。這種線圈仍然采用了安培定律,不過方程式略有不同,因為我們發(fā)現(xiàn)傳感器輸出端的電壓并不是與初電流成正比,而是與它的導(dǎo)數(shù)成正比:U= M*di/dt。M是初導(dǎo)體與線圈之間的互感系數(shù),在某種程度上體現(xiàn)了初和次環(huán)路之間的耦合情況?;谶@個原理獲取良好的難度在于,該方程式的簡化解析表達(dá)式假定線圈對稱(M必須恒定)。而實際上這種情況*可能,我們將通過分析導(dǎo)致M成為變量的3個關(guān)鍵因素來進(jìn)行說明。
匝數(shù)密度:線圈繞組必須均勻以繞組密度致。匝數(shù)不等距導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不對稱,即導(dǎo)致互感系數(shù)M隨初導(dǎo)體位置的變化而變化。這樣就產(chǎn)生了源于待測電纜或母線位置的實際誤差,對于匝數(shù)密度不同于平均分布值的線圈段,導(dǎo)體與其距離越小,這種誤差就越大。
線圈橫截面:與匝數(shù)密度樣,如果纏繞在導(dǎo)體上的整個線圈的橫截面不致,則互感系數(shù)M也將不恒定,導(dǎo)體位置變化同樣會產(chǎn)生誤差。同樣,在這種情況下,對于橫截面明顯不同于平均分布值的線圈段,導(dǎo)體與其距離越小,這種誤差就越大。
線圈卡環(huán):柔Rogowski線圈的主要優(yōu)勢是,它能提供無需電氣連接的末端,反饋信號通過線圈內(nèi)回繞的金屬絲傳回。而這正是線圈繞組內(nèi)不連續(xù)所致的不對稱的主要原因,進(jìn)而影響匝數(shù)密度,因為理論上需要線圈連續(xù)和均質(zhì)。這是尤為關(guān)鍵的因素,產(chǎn)生的誤差也zui大。
實際數(shù)據(jù):
截止目前,Rogowski線圈提供的*位置誤差為2%。除此以外,在大多數(shù)情況下還存在局限,它不包括環(huán)路內(nèi)某些區(qū)域的導(dǎo)體,尤其是卡環(huán)前端閉合處。實際上這可能致命,它導(dǎo)致卡環(huán)前端附近的誤差約達(dá)6%。因此,很理解能源計量設(shè)備制造商總是避免采用這種。然而,LEM認(rèn)識到這種對于能源測量的可用價值,但是關(guān)鍵取決于他們是否能制造出zui低位置誤差小于 0.75%的線圈。事實上,要開發(fā)出1能量計,就得實現(xiàn)整個測量鏈的整體于1%,測量鏈包括電流傳感器、電壓傳感器及信號處理。
環(huán)路內(nèi)導(dǎo)體位置導(dǎo)致的測量誤差:傳統(tǒng)Rogowski線圈對比LEM RT
LEM面臨的挑戰(zhàn)
近100年來直尋求基于電氣或機械理念的多重解決方案,用以解決Rogowski線圈電流傳感器的主要問題,即不完善的傳感器閉合所導(dǎo)致的誤差,盡管成效有限。LEM工程師考慮到這種情況,決定深入地重新探討這個原理,以便好地理解這些嘗試的失敗原因。我們采用了的方法成功-線圈卡環(huán)導(dǎo)致的誤差已經(jīng)變得幾乎可以忽略不計。理所當(dāng)然,這個科學(xué)理念在2007年申請了。
傳感器頭卡環(huán)采用“磁套筒”
隱藏挑戰(zhàn)
當(dāng)分裂鐵芯Rogowski線圈的主要問題zui終得到解決時,其他問題又浮出水面。以前與線圈卡環(huán)系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的誤差占據(jù)如此重要的地位,以至于它在某種程度上掩蓋了其他不對稱原因。LEM繼續(xù)努力工作以改善這種電流傳感器,經(jīng)過整整2年的開發(fā),LEM已經(jīng)能夠開發(fā)顯著減小對稱缺陷的工藝和方法。
結(jié)果
下圖將LEM的分裂鐵芯Rogowski線圈與市面上其他基于這種的產(chǎn)品的進(jìn)行了對比,從中可以看出LEM在這方面已經(jīng)能夠取得的進(jìn)步。
環(huán)路內(nèi)導(dǎo)體位置導(dǎo)致的測量誤差:
LEM RT傳感器與傳統(tǒng)Rogowski線圈對比
如今確定,對于15mm直徑的導(dǎo)體,無論導(dǎo)體位置如何,即使它位于線圈卡環(huán)附近,其位置導(dǎo)致的誤差也不會過測量值的0.65%。
為了好地評定取得的結(jié)果,用另副圖顯示了210件 RT Rogowski線圈樣品的zui大誤差值。對于LEM傳感器,常規(guī)位置誤差值為測量值的0.31%。
210件RT傳感器樣品的zui大位置誤差分布圖
我們還應(yīng)該了解的Rogowski線圈傳感器信息。
外部導(dǎo)體
通常用待測導(dǎo)體位置誤差來表示Rogowski線圈的能,但是好的傳感器必須還保持不受附近其他外部導(dǎo)體的干擾。當(dāng)兩種特之間存在關(guān)系時,對于這兩種特來說 ,都是環(huán)路越完善越好。這是安培定律的結(jié)果,與形式的不對稱相關(guān)的誤差都會在環(huán)路內(nèi)部和外部產(chǎn)生影響。例如,我們?nèi)€施加有 100A電流的導(dǎo)體,將該導(dǎo)體放置在Rogowski線圈內(nèi),使其與段產(chǎn)生+0.5%的誤差的環(huán)路接觸。這樣得到的測量結(jié)果為100.。讓同導(dǎo)體接觸同段環(huán)路,但是在環(huán)路外,同樣會產(chǎn)生0.的誤差,但是會疊加到環(huán)路內(nèi)測得的電流上,這是因為外部磁場抗擾。
通常,Rogowski線圈傳感器的低,因為它們的增益(用術(shù)語M表示)取決于大規(guī)模生產(chǎn)過程中難以的物理參數(shù)。簡而言之,試圖制造增益色散小于幾個百分點(比方說2-5%,具體取決于采用的)的傳感器是不現(xiàn)實的。這就意味著,設(shè)計的線圈繞線機的節(jié)距必須被在微米,并能生產(chǎn)同等的線圈底座。因此習(xí)慣上將Rogowski線圈連接到有源或無源電路,這樣它就能得到校準(zhǔn),從而獲得良好的。
另方面,必須傳感器特的杰出穩(wěn)定,尤其是溫度方面,以防不得不通過再校準(zhǔn)對使用條件改變進(jìn)行補償來得到校正的漂移。例如,LEM的RT系列在這方面的已經(jīng)得到驗證,為30 ppm/°C。
沒有測量!
當(dāng)確定測量系統(tǒng)時,常常出現(xiàn)這樣個問題:如果電流過其標(biāo)稱值,則傳感器會飽和嗎?當(dāng)然,當(dāng)采用Rogowski線圈時,這個問題的答案是“不”,因為這種線圈沒有磁芯,因此不會飽和。理論上,可測電流沒有!實際上,閉合環(huán)路的直徑?jīng)Q定了電流的標(biāo)稱值,與測量范圍無關(guān) ,與初導(dǎo)體的規(guī)格相關(guān)。在di/dt(脈沖)的特定情況下,電流限值由線圈末端產(chǎn)生的電壓確定。
線度
當(dāng)然,對于打算用于測量的傳感器來說,線度很重要。同樣,因為Rogowski線圈不存在飽和,因此線度不可能不足,因為這種線圈在這方面具有先天優(yōu)勢。如果仍然發(fā)現(xiàn)線度不足,則必須質(zhì)疑測量方法是否正確以及是否是Rogowski線圈!
相移
相移是能源測量領(lǐng)域其重要的參數(shù),利用電流及電壓測量結(jié)果計算得出。與飽和度和線度方面的表現(xiàn)樣,Rogowski線圈在相位方面的表現(xiàn)同樣,也就是它不會導(dǎo)致相移。然而,值得記住的是,它與自身會產(chǎn)生相移的放大(下文標(biāo)題 “積分器”下所述)相關(guān)。綜上所述,沒有連接線圈時,相位誤差本質(zhì)為零,但連接負(fù)載后就能達(dá)到較值。不過,這種誤差能夠通過等效RLC電路計算或模擬輕松量化,以及通過特別方法得到補償。
LEM的選擇
如今,Rogowski線圈傳感器可與能源測量領(lǐng)域內(nèi)的電流強度互感器抗衡。LEM需要zui大程度地挖掘這種的能,它們在測量大電流時能夠創(chuàng)造凈利潤,即重量、整體尺寸、靈活和易管理,這點變得明顯 。5mm的橫截面幾乎可被列為“常規(guī)”尺寸,當(dāng)測量這種橫截面時,RT系列傳感器是市面上zui輕薄的Rogowski線圈傳感器。
EMN能量計安裝電氣柜內(nèi)配有3個RT Rogowski線圈
線圈卡環(huán)裝置(獲得)也小巧(28 x 30 x 16 mm),它能將環(huán)路可靠連接到其同軸信號電纜上。這里,同軸電纜直接與線圈的小截面相連。實際上,因為增益與橫截面成正比,所以,精密線圈產(chǎn)生的電壓很小,通過開始消除環(huán)路與放大之間的干擾來信噪比,這種方式是適宜的。
zui后,為了RT線圈在時間與溫度方面的穩(wěn)定,采用LEM工程師開發(fā)的新穎工藝將線圈整合到PU樹脂內(nèi)。這種纏繞還穩(wěn)固維持不同部分以及提供裝配穩(wěn)固,而這是難以安裝的場合所需的。
所以,選擇電流互感器(CT)還是Rogowski線圈(RT)?LEM已經(jīng)作出了它的選擇,但是準(zhǔn)備與您分享!
應(yīng)用說明:Rogowski線圈積分器設(shè)計
Rogowski線圈提供的電壓與其端子上產(chǎn)生的初電流的導(dǎo)數(shù)成正比。因此必須利用電子積分器將這種信號轉(zhuǎn)換為與初電流值成正比的信號。
積分器是采用Rogowski線圈進(jìn)行電流測量的基本組件,放大的放大方式對傳感器的電氣能(線度、相移和頻率帶寬)有重大影響。下文列出了此類積分器的關(guān)鍵因素以及些可能的解決方案:
低的信號電平(例如20 mV / kA ,LEM的RT系列傳感器)
→采用低的噪音OpAmp以優(yōu)化信噪比
→必須設(shè)法使PCB表面積zui小,或盡可能放大以降低對外部磁場的敏感度。
低截止頻率
當(dāng)積分器連接到Rogowski線圈時,這二者就組成了通濾波器。由于它抑制低的頻率,因此必須定義截止頻率,以便優(yōu)化標(biāo)稱工作頻率下的能,同時仍然獲取盡可能短的響應(yīng)時間。
失調(diào)抑制
純積分器的主要問題在于,它會對zui微弱的寄生失調(diào)(例如AmpOp導(dǎo)致的)積分,這樣輸出就總是不穩(wěn)定,遲早漂移到較或較低電平處飽和。因此,必須采用靜態(tài)增益或有源補償這種漂移:
總失調(diào)抑制
可以消除剩余失調(diào),只需在積分器與測量之間添加個電容耦合裝置:
相移
上文講述的失調(diào)抑制電路會產(chǎn)生幾度的相位角誤差 ,這成了能量測量的主要問題。因此,在這種應(yīng)用場合,必須添加相移補償,它通常包含個低通濾波器。不幸的是,這種校正并不恒定,而是受頻率影響,這就意味著必須優(yōu)化設(shè)計以盡可能降低基頻相位差,基頻般為16 2/3、50、60或400 Hz。
校準(zhǔn):有源增益調(diào)節(jié)
Rogowski線圈需要根據(jù)基準(zhǔn)信號校準(zhǔn),以便對其增益進(jìn)行微調(diào),因為制造過程存在不可避免的缺陷,從而導(dǎo)致線圈結(jié)構(gòu)不可能。般而言,工程師采用附加有模擬裝置的積分,例如電位計。的數(shù)字校準(zhǔn)解決方案與采用微器或結(jié)合采用微器與PGA(可編程增益 放大器)的方案差不多。在情況下,每副Rogowski線圈的校準(zhǔn)都是特定的,必須始終采用以前校準(zhǔn)采用的同電路。
校準(zhǔn):無源增益調(diào)節(jié)
縱觀過去,Rogowski線圈總是用于電流值(rms)測量,沒有相位 。許多環(huán)路都提供了基于純電阻或電阻/電容電路(RC電路)的出廠校準(zhǔn)。這種方法向簡單、經(jīng)濟(jì),但是不能用于能量測量,因為它產(chǎn)生的相位誤差大,同時它可能受頻率影響(如果采用RC電路)。
LEM在開發(fā)Rogowski線圈時,旨在提供種簡單通用的產(chǎn)品,確信積分器能夠獲取*能且是*的方法。因此,RT系列傳感器沒有開展出廠校準(zhǔn),無需采用另外的電子組件或機殼,也不需要供電電源。采用連接到Rogowski的裝置的積分器,如能源、電源質(zhì)量或脈沖電源監(jiān)控器,是種經(jīng)濟(jì)的解決方案。
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