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电力电子领域中实现高精度功率分析的电流测量方法
接线图
2024年10月20日 19:25 61
admin
现行测量方法
功率分析仪测量电流的方法一般有直接连接法（图1[a]）和电流传感器法（图1[b]）。下面详细介绍每种方法的特点。
直接连接方式
直接连接法
直接连接法是将测量对象与功率分析仪之间的导线连接起来，连接到仪器的电流输入端子，从而测量电流。测量原理本身非常简单，具有能够单独使用功率分析仪测量电流的优点，多年来一直是事实上的测量方法。但是，由于必须将电流导线拉长距离，并且必须将功率分析仪的电流输入部分插入测量对象的电路中，因此存在以下缺点：
条件与实际操作条件不同
由于长电线的电线电阻，损耗会增加。
各导线之间、导线与地之间产生电容耦合，造成高频漏电流增大。
例如，关于上述ii)中所述的效果，使用6号AWG电线的5米线路，电线电阻约为6.5m2。如果测量电流为30A，则该线路电阻导致的损耗为5.85W。虽然无法仅根据该值判断损耗的大小，但对于某些测量功率值来说，该损耗太大而无法忽略。
此外，采用直接连接法时，通常采用分流电阻来测量电流。这种分流电阻法存在以下缺点：
当电流流过分流电阻时，电阻中会产生与电流平方成比例的焦耳热，只要焦耳热造成仪器损耗，自热还会改变分流电阻本身的阻值，使测量精度进一步恶化。
为了限制这种发热，通常会使用电阻值较小的分流电阻，但是，如果用较小的分流电阻测量大电流，即使是很小的电感成分也无法忽略，导致频率特性恶化。
图 2：分流电阻的自热
图 2 显示了 20 A 电流流过 2 mW 分流电阻时发生的自热过程。为了进行比较，将额定电流为 50 A 的 Hioki CT6862 电流传感器连接到电路中。可以看到，由于焦耳热引起的自热，分流电阻的温度上升到 50°C 左右。相比之下，电流传感器几乎不受焦耳热和相关自热的影响，仪器损耗和传感器自身温度特性对测量精度的影响可以忽略不计。
从以上讨论可以看出，直接连接法非常适合测量约 1A 的非常小的电流，此时分流电阻的焦耳热影响足够小，例如测量电子设备的待机功率或测量 LED 照明的功耗。
电流传感器方法
电流传感器法是将电流传感器连接到被测设备的电线，将传感器的输出信号（电流或电压）输入到功率分析仪的测量电流的方法。
电流传感器方式可在动作状态下测量对象，测量大电流时几乎不会产生自发热，因此对测量精度没有影响。与直接连接方式相比，电流传感器方式更适合高精度地测量5A以上的大电流，一般用于电力电子领域。
图 3 直接连接法和电流传感器法：可高精度测量的电流值和频带的大致范围 * 超出图中所示范围并不一定意味着无法测量值。
采用电流传感器法进行高精度功率测量
如上所述，测量超过 5 A 的电流时，通常使用电流传感器方法。虽然电流传感器方法不会遭受与直接连接方法相同的缺点，但为了以高精度测量电流，仍必须牢记一些注意事项。本节概述了这些注意事项。
选择合适的电流传感器
采用电流传感器法进行高精度、高重复性的功率测量，需要选择合适的电流传感器。具体的选择标准包括以下两个考虑因素：
电流传感器的额定电流值必须与被测电流的大小相适应。
被测电流的所有频率成分必须落在电流传感器的可测频带内。
此外，还应考虑以下因素：
电流传感器必须提供在整个可测频带内定义的足够的测量精度。
所有误差因素，例如电流传感器的输出噪声、温度特性、导体位置效应、外部磁场效应、磁化效应和共模电压效应，都必须定义并且其幅度足够小。
选择电流传感器时需要足够谨慎。特别是，考虑到 iii)，大多数电流输出传感器的幅度和相位精度仅针对 DC 和 50/60 Hz 频率定义，其他频率范围的精度仅供参考。
值得注意的是，使用电流传感器方法进行高精度电流测量取决于电流传感器和具有足够性能的功率分析仪的可用性。
包括电流传感器在内的电力测量系统的整体优化
如上所述，仅选择合适的电流传感器并不是使用电流传感器方法进行高精度功率测量的充分条件。此外，还需要优化包括电流传感器在内的整个功率测量系统。即使电流传感器以极高的精度检测目标电流，如果传感器的输出信号在到达功率分析仪之前衰减，也不可能以同样高的精度测量电流。
图 4 示出了包含电流传感器的典型功率测量系统。如上所述，一些电流传感器产生电流输出，而另一些电流传感器产生电压输出。由于电流输出传感器比电压输出传感器更常用，因此本讨论将假设使用电流输出传感器。
为了确保电流传感器的输出信号能够无损地传输到功率分析仪，必须满足以下条件。
传感器必须采用高质量的电源，并必须正确接地。
多条电缆之间以及电缆与地之间的耦合电容必须较低，并且电缆的抗噪能力必须较高。
功率分析仪的电流输入必须具有良好的频率特性，发热小，绝缘性能高（CMRR高，漏电流低）。此外，仪器必须具有较高的抗噪声能力，并且必须正确接地。
一般情况下，测量功率时，电流传感器、驱动传感器的电源、功率分析仪的制造商各不相同，电缆种类和接线方法也由用户自行决定。因此，对于电流传感器制造商、功率分析仪制造商、传感器电源制造商而言，要保证上述所有条件均满足，电流传感器的输出信号无损地到达功率分析仪，以及目标电流实际上能够以高精度进行测量，无疑是极其困难的。
另一方面，日置是世界上唯一一家独立开发和设计电流传感器和功率分析仪的测试和测量仪器制造商，使我们能够提供构建完整功率测量系统所需的所有组件。
Hioki 功率测量系统具有以下特点：
我们使用电压输出电流传感器，其精度已在整个可测量频带内定义。
功率分析仪的电流输入专门设计用于电压输出电流传感器，并且传感器输出电压水平和功率分析仪电流输入的输入电压水平都经过了优化。
功率分析仪内置传感器电源，驱动传感器的电源与日置测量精度时使用的电源品质相同。通过应用功率分析仪和传感器电源使用同一接地、消除接地环路原因等多项有意义的设计，我们大大提高了测量精度和再现性。
除了使用屏蔽线传输传感器输出以抵消噪声之外，Hioki 还内置了调整传感器输出增益的功能，以补偿电缆造成的微小电压下降。
此外，Hioki 还对电流传感器和功率分析仪一起进行内部和第三方认证机构的测量精度和噪声测试评估。
图 5 描绘了由 Hioki 电流传感器（CT6862、CT6863、9709、CT6841、CT6843 和 3274）和功率分析仪（PW6001）组成的功率测量系统，正在接受第三方认证机构的抗扰度测试。
通过精心设计每个单独的元素并对其进行组合以优化整个系统，Hioki 准备向我们的客户提供世界一流的功率测量系统。
第三方认证机构对 Hioki 电力测量系统进行抗扰度测试
图 5：第三方认证机构对 Hioki 功率测量系统进行抗扰度测试
功率分析仪测量电流的方法一般有直接连接法（图1[a]）和电流传感器法（图1[b]）。下面详细介绍每种方法的特点。
直接连接方式
直接连接法
直接连接法是将测量对象与功率分析仪之间的导线连接起来，连接到仪器的电流输入端子，从而测量电流。测量原理本身非常简单，具有能够单独使用功率分析仪测量电流的优点，多年来一直是事实上的测量方法。但是，由于必须将电流导线拉长距离，并且必须将功率分析仪的电流输入部分插入测量对象的电路中，因此存在以下缺点：
条件与实际操作条件不同
由于长电线的电线电阻，损耗会增加。
各导线之间、导线与地之间产生电容耦合，造成高频漏电流增大。
例如，关于上述ii)中所述的效果，使用6号AWG电线的5米线路，电线电阻约为6.5m2。如果测量电流为30A，则该线路电阻导致的损耗为5.85W。虽然无法仅根据该值判断损耗的大小，但对于某些测量功率值来说，该损耗太大而无法忽略。
此外，采用直接连接法时，通常采用分流电阻来测量电流。这种分流电阻法存在以下缺点：
当电流流过分流电阻时，电阻中会产生与电流平方成比例的焦耳热，只要焦耳热造成仪器损耗，自热还会改变分流电阻本身的阻值，使测量精度进一步恶化。
为了限制这种发热，通常会使用电阻值较小的分流电阻，但是，如果用较小的分流电阻测量大电流，即使是很小的电感成分也无法忽略，导致频率特性恶化。
这些缺点都会严重降低电流和功率的测量精度，因此测量大电流时必须小心谨慎。
图 2：分流电阻的自热
图 2 显示了 20 A 电流流过 2 mW 分流电阻时发生的自热过程。为了进行比较，将额定电流为 50 A 的 Hioki CT6862 电流传感器连接到电路中。可以看到，由于焦耳热引起的自热，分流电阻的温度上升到 50°C 左右。相比之下，电流传感器几乎不受焦耳热和相关自热的影响，仪器损耗和传感器自身温度特性对测量精度的影响可以忽略不计。
从以上讨论可以看出，直接连接法非常适合测量约 1A 的非常小的电流，此时分流电阻的焦耳热影响足够小，例如测量电子设备的待机功率或测量 LED 照明的功耗。
电流传感器方法
电流传感器法是将电流传感器连接到被测设备的电线，将传感器的输出信号（电流或电压）输入到功率分析仪的测量电流的方法。
电流传感器方式可在动作状态下测量对象，测量大电流时几乎不会产生自发热，因此对测量精度没有影响。与直接连接方式相比，电流传感器方式更适合高精度地测量5A以上的大电流，一般用于电力电子领域。
图 3 显示了直接连接法和电流传感器法均可高精度测量的电流值的大致范围以及相关的一般频带。请注意，即使某个值超出了图中所示的范围，也不一定意味着无法使用该方法进行测量。
图 3 直接连接法和电流传感器法：可高精度测量的电流值和频带的大致范围 * 超出图中所示范围并不一定意味着无法测量值。
采用电流传感器法进行高精度功率测量
如上所述，测量超过 5 A 的电流时，通常使用电流传感器方法。虽然电流传感器方法不会遭受与直接连接方法相同的缺点，但为了以高精度测量电流，仍必须牢记一些注意事项。本节概述了这些注意事项。
选择合适的电流传感器
采用电流传感器法进行高精度、高重复性的功率测量，需要选择合适的电流传感器。具体的选择标准包括以下两个考虑因素：
电流传感器的额定电流值必须与被测电流的大小相适应。
被测电流的所有频率成分必须落在电流传感器的可测频带内。
此外，还应考虑以下因素：
电流传感器必须提供在整个可测频带内定义的足够的测量精度。
所有误差因素，例如电流传感器的输出噪声、温度特性、导体位置效应、外部磁场效应、磁化效应和共模电压效应，都必须定义并且其幅度足够小。
选择电流传感器时需要足够谨慎。特别是，考虑到 iii)，大多数电流输出传感器的幅度和相位精度仅针对 DC 和 50/60 Hz 频率定义，其他频率范围的精度仅供参考。
值得注意的是，使用电流传感器方法进行高精度电流测量取决于电流传感器和具有足够性能的功率分析仪的可用性。
包括电流传感器在内的电力测量系统的整体优化
如上所述，仅选择合适的电流传感器并不是使用电流传感器方法进行高精度功率测量的充分条件。此外，还需要优化包括电流传感器在内的整个功率测量系统。即使电流传感器以极高的精度检测目标电流，如果传感器的输出信号在到达功率分析仪之前衰减，也不可能以同样高的精度测量电流。
典型功率测量系统
图 4 示出了包含电流传感器的典型功率测量系统。如上所述，一些电流传感器产生电流输出，而另一些电流传感器产生电压输出。由于电流输出传感器比电压输出传感器更常用，因此本讨论将假设使用电流输出传感器。
为了确保电流传感器的输出信号能够无损地传输到功率分析仪，必须满足以下条件。
传感器必须采用高质量的电源，并必须正确接地。
多条电缆之间以及电缆与地之间的耦合电容必须较低，并且电缆的抗噪能力必须较高。
功率分析仪的电流输入必须具有良好的频率特性，发热小，绝缘性能高（CMRR高，漏电流低）。此外，仪器必须具有较高的抗噪声能力，并且必须正确接地。
一般情况下，测量功率时，电流传感器、驱动传感器的电源、功率分析仪的制造商各不相同，电缆种类和接线方法也由用户自行决定。因此，对于电流传感器制造商、功率分析仪制造商、传感器电源制造商而言，要保证上述所有条件均满足，电流传感器的输出信号无损地到达功率分析仪，以及目标电流实际上能够以高精度进行测量，无疑是极其困难的。
另一方面，日置是世界上唯一一家独立开发和设计电流传感器和功率分析仪的测试和测量仪器制造商，使我们能够提供构建完整功率测量系统所需的所有组件。
Hioki 功率测量系统具有以下特点：
我们使用电压输出电流传感器，其精度已在整个可测量频带内定义。
功率分析仪的电流输入专门设计用于电压输出电流传感器，并且传感器输出电压水平和功率分析仪电流输入的输入电压水平都经过了优化。
功率分析仪内置传感器电源，驱动传感器的电源与日置测量精度时使用的电源品质相同。通过应用功率分析仪和传感器电源使用同一接地、消除接地环路原因等多项有意义的设计，我们大大提高了测量精度和再现性。
除了使用屏蔽线传输传感器输出以抵消噪声之外，Hioki 还内置了调整传感器输出增益的功能，以补偿电缆造成的微小电压下降。
此外，Hioki 还对电流传感器和功率分析仪一起进行内部和第三方认证机构的测量精度和噪声测试评估。
图 5 描绘了由 Hioki 电流传感器（CT6862、CT6863、9709、CT6841、CT6843 和 3274）和功率分析仪（PW6001）组成的功率测量系统，正在接受第三方认证机构的抗扰度测试。
通过精心设计每个单独的元素并对其进行组合以优化整个系统，Hioki 准备向我们的客户提供世界一流的功率测量系统。
第三方认证机构对 Hioki 电力测量系统进行抗扰度测试
图 5：第三方认证机构对 Hioki 功率测量系统进行抗扰度测试
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