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智能電網(wǎng)所需的設(shè)備，如公用事業(yè)儀表和可再生能源以及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，需要準(zhǔn)確地感知能源消耗。已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)，其允許有效地測量電功率，每種技術(shù)都具有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文將電流互感器，Rogowski線圈，霍爾效應(yīng)傳感器和電阻分流器作為能量測量的選項(xiàng)。

電氣設(shè)備消耗的能量已成為一個(gè)主要問題，它正在推動(dòng)大型政府計(jì)劃，如英國的智能電表推出，這將在不到兩年的時(shí)間內(nèi)真正啟動(dòng)。每個(gè)電子智能電表都需要準(zhǔn)確的方法來確定電流消耗。這種需求正在擴(kuò)展到越來越多的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將連接到智能電網(wǎng)，例如可再生能源和白色家電和數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，以便用戶可以跟蹤他們的能源使用情況。

在數(shù)據(jù)中心，業(yè)務(wù)用戶希望能夠使用單個(gè)機(jī)器或機(jī)架的實(shí)時(shí)電源使用信息來指導(dǎo)如何在其中分配作業(yè)。在家中，用戶可以監(jiān)控重要的能源消費(fèi)者，并使他們在高關(guān)稅期間自動(dòng)停用或停滯。功率傳感器設(shè)計(jì)者面臨的問題是哪種技術(shù)最適合應(yīng)用。

有四種基本類型的傳感器技術(shù)可幫助確定電能：電流互感器，Rogowski線圈，電阻分流器和霍爾效應(yīng)傳感器。需要使用哪一個(gè)取決于部署，該站點(diǎn)是從單相，分段階段還是從分配系統(tǒng)使用的所有三個(gè)階段獲取電力。

美國的家庭通常使用分相供電，可提供120 VAC或240 VAC。該架構(gòu)通常要求電流互感器作為能量傳感器。歐洲的商業(yè)和大型住宅用地采用三相供電。單個(gè)家庭通常是單相的，可以使用簡單的分流電阻傳感器實(shí)現(xiàn)儀表。三相系統(tǒng)將采用電流互感器或Rogowski線圈，后者傳統(tǒng)上更適合大型安裝。

電流分流器是最簡單和最便宜的選擇，因?yàn)樗皇且粋€(gè)低值電阻器，放置在從公用設(shè)施到房屋的電氣連接上。分流電阻兩端的電壓降與電流及其頻率成正比。但是，這種簡單的設(shè)置有缺點(diǎn)。電流分流器本身需要很大，以便處理主電源中固有的高電流。即使這樣，自然加熱和它所吸收的能量也會(huì)產(chǎn)生問題，這就是為什么這些分流器傾向于用于較小的家用設(shè)施。

為了限制功耗，電流分流器應(yīng)具有數(shù)百微歐姆的電阻。因此，用于檢測電壓降的信號調(diào)理電路必須處理相對較小的值，通常小于10μV，要求使用敏感的運(yùn)算放大器來增強(qiáng)信號。

寄生電感還可以在低功率因數(shù)下引入顯著的相移，足以導(dǎo)致大的測量誤差。然而，這個(gè)問題已經(jīng)通過旨在維持高功率因數(shù)的法規(guī)得到了一定程度的改善。

采用傳感器技術(shù)測量智能電網(wǎng)上的電能

圖1：電流分流器的原理。

有些電阻器設(shè)計(jì)用于電流檢測，采用“開爾文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，針對精密傳感和低功耗LVK系列進(jìn)行了優(yōu)化。這些是具有四個(gè)端子的電阻器，使得能夠通過兩個(gè)相對的引線施加電流并且在另外兩個(gè)引線上測量感測電壓。開爾文配置有效地消除了引線的電阻和溫度系數(shù)，有助于在沒有大電壓降的情況下保持精度。

為了在多相情況下使用，電流分流器需要隔離，但它們具有通過使用強(qiáng)磁場而對篡改具有合理免疫力的好處，這會(huì)影響一些其他電流測量技術(shù)。由于其低成本，電流分流器可能用于非公用事業(yè)儀表，用于測量由家庭或辦公室中的電網(wǎng)供電的設(shè)備的能量消耗。

光耦合器提供了一種在電路中建立隔離的方法。為了簡化隔離任務(wù)，ADI公司提供iCoupler系列。這些集成變壓器構(gòu)建在CMOS基板之上，在該系列的isoPower成員的情況下，包括變壓器以將功率耦合到隔離屏障的另一側(cè)。這消除了在屏障的任一側(cè)構(gòu)建單獨(dú)的電源的需要。

內(nèi)置隔離的傳感器是電流互感器。它具有初級繞組磁芯，其通常由鐵制成，并具有次級繞組。在初級中流動(dòng)的AC在核心中產(chǎn)生磁場，該磁場在次級中感應(yīng)出AC，其可以通過其所連接的電路來測量。對于公用事業(yè)儀表，電流互感器的正常形式是窗式，例如Talema集團(tuán)的AC1050。通過窗式變壓器，導(dǎo)體穿過鐵芯的中心，提供單匝繞組。

電流互感器通常具有需要補(bǔ)償?shù)男∠辔皇д妫绕涫窃趹?yīng)用需要更復(fù)雜的測量時(shí)，例如無功和諧波能量測量。然而，電流互感器通常提供精確的電流讀數(shù)，并且適用于高電流系統(tǒng)，因?yàn)樗皇茈娏鞣至髌鞯淖詿嵝?yīng)的影響。

電流互感器有缺點(diǎn)。導(dǎo)體必須分開，以便電流傳感器可以滑到其上，這使安裝變得復(fù)雜。核心也容易被強(qiáng)大的永久磁鐵篡改。通過使鐵芯飽和，用戶可以確保傳感線圈不會(huì)拾取由電力線產(chǎn)生的AC場。 Rogowski線圈通過采用空芯來避免鐵芯飽和的問題，空芯在強(qiáng)大的外部磁場的存在下不會(huì)飽和。 Rogowski線圈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要與導(dǎo)體直接接觸，線圈只需要纏繞導(dǎo)體。

Rogowski線圈電流傳感器的輸出與通過它的AC電流的一階導(dǎo)數(shù)成比例。結(jié)果，傳感器的輸出需要在它可以乘以初級電壓之前進(jìn)行積分，以提供功率讀數(shù)。因此，Rogowski線圈不能直接替代電流互感器，因?yàn)樾盘栒{(diào)理電子設(shè)備需要提供集成功能。工程師可以選擇是否使用模擬集成，通常基于運(yùn)算容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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