功率分析仪性的电流传感器测量技术
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- 时间：2020-04-20 14:15
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功率分析仪性的电流传感器测量技术
当今，在功率调节器和变频器等功率转换系统所代表的电力电子领域中，大家对电流都有 着高精度，高带宽的测量需求。我司自从 1971 年发售了钳形测试仪 CT-300(Fig.1)以后， 一直以来根据不同的测量用途，提供着各种各样的电流传感器(Fig.2)。在本稿中，我们聚 焦高精度，高带宽的电流测量需求，对我司的电流传感器的特长以及电流测量的要点做一个 记述。
2 关于电流传感器的检测方式 电流传感器的检测方式虽然涉及到多方多面，但大多数的方式，都是由被测导体中流过的
电流在磁力铁芯中产生磁通量，然后插入钳表空隙时，通过磁电转换元件或者在磁力铁芯上 缠绕的线圈来进行检测的。而每种检测方式，都有它的优点和缺点。所以用 1 种检测方式， 去应对所有的测量需求是非常困难的。我司把 2 种检测方式进行了组合，我们称它为零磁通 方式(也被称作闭环方式或磁力平衡方式)。通过采用这种方式，我们提供着高精度，高带 宽的电流传感器。
零磁通方式，就如 Fig.3，4 中所示要形成包含了磁力电路的负反馈电路。而为了能够抵消被测电流在铁芯中所产生的磁通量，在反馈线圈中也会流过电流。因为运行的磁通量可以 控制的非常小，所以其优势在于受到磁性材料的非线形性的影响可以抑制在低限度。我司 的高精度电流传感器使用的就是由 Fig.3 中所示的磁通门方式和变流器(CT)方式组合之后 的零磁通方式。磁通门方式可以从直流开始测量，因其检测用的不是半导体，所以失调电压 较小，在温度稳定性，长期稳定性上都有很卓越的表现。我司提供的电流传感器精度为 0.02%rdg，频宽 3.5MHz，其精度和频宽都是世界顶尖水准。另外，我们灵活利用了磁通门 方式在高温下的稳定性，还提供了可以在-40°C~+85°C 温度环境下测量的产品。
另一方面，高带宽电流传感器采用的是如 Fig.4 中所示的霍尔元件和变流器(CT)方式组 合的零磁通方式。它拥有着从直流到大 120MHz 的测量频宽。测量用的关键元器件，霍尔 元件是由我司自主研发生产的。因其拥有着高灵敏度，低噪音的特性，和示波器组合后观测 微弱的电流波形也是非常合适的。
3 电流传感器结构上的区别
电流传感器在结构上，分贯通型和钳形 2 类。贯通型在磁力铁芯上没有分割面，因此可以
很容易的让磁力铁芯全周的特性都很平均，可以构造出非常高精度的电流传感器。但是，接 线的时候由于需要把电源线穿过传感器，所以需要暂时性的分离电源线，这就不能直接和正在工作着的设备接线了。 另一方面，钳形的话磁力铁芯的结构是可以分割的，所以只要夹住电源线就能进行测量。
因为不需要像贯通型那样要先把电源线分离，所以测量工作状态中的设备也非常方便。但是， 制作了铁芯的分割面，就意味着要让全周都获得均衡的特性会变得非常困难。一般的钳形电 流传感器测量精度较差，受导体位置的影响较大。想要得到重现性较好的数据比较困难。我 司有着长年累积的对电流传感器的开发经验，结合经验，我们制作出了钳形高精度的电流传 感器。这个在后面我们再做叙述。
4 电流传感器的选型要点 要使用电流传感器进行高精度的测量，重要的就是要根据被测对象，选择合适的电流
传感器。
多数的高精度电流传感器(精度 0.1%以下)采用的是电流输出，而我司的高精度电流传
感器采用的是电压输出的方式。一来说，从信号传递的品质上来看，电流输出更为优越。但 是在电流传感器的输出方式中，电压输出也有许多好处。下面我们会一边阐述电压输出的好 处，一边分享在电流传感器选型方面的要点供大家参考。
4.1 电流传感器的额定，测量频宽需要匹配合适 为了能够实现高精度的去测量电流，我们必须要选择适合于测量对象电流电平的电流传感
器。比如，我们使用相同测量精度的 2 个电流传感器。用精度相同，额定 10A 的电流传感器 和额定 500A 的电流传感器去测量 5A 的电流，那么使用接近于测量对象的额定 10A 的电流传 感器去测量，所测得的精度和重现性一定是更为有利的。我司的电流传感器的额定电流是用 有效值去标定的，但是用峰值去标定电流传感器的额定电流的也有很多，需要注意。加上被测电流的所有频率成分，是否都能被电流传感器的测量频宽所覆盖，也需要进行确 认。
4.2 要确认测量频宽的振幅，相位是否在精度上有所标定 一般情况下，和功率计组合的高精度电流传感器，大多数只对工频(50Hz/60Hz)振幅的
精度有所标定，相位相关的精度标定一般是没有的。普通的高精度电流传感器的电流输出， 想要去标定其高频振幅和相位的精度，是非常困难的。因此除了工频以外，大多公开的都是 具有代表特性的图表，这点需要大家注意。我司因为采用的是电压输出的方式，所以对测量 频宽的全频段的振幅，相位的精度都能做出标定。要准确测量功率的话，光是看振幅精度是 不够的，相位精度也非常之重要。特别在选用测量功率用的电流传感器时，要尤为注意是否 有标定相位的精度。
4.3 要确认是否有较高的通用性 电流传感器使用电压输出的话，不只是功率计，DMM，示波器，记录仪等等都能很容易的
就连接上去。使用 1 台电流传感器，就能对应各种各样的测试需求。
4.4 确认 S/N 比是否足够高
我司的高精度电流传感器在测量额定电流时，设计是会输出 2V 的电压。比如使用我司的
CT6863(额定 200A)和功率计组合测量 AC 200A 时，就会往功率计输入 AC 2V。另一方面， 电流输入型的功率计的输入部分因为内置的是分流电阻，所以从电流传感器中即使输出的是 电流，后还是会被转换成电压进行处理。使用变比 1500:1 的高精度电流传感器来测量 AC 200A 时，通常分流电阻的电阻值为 0.5Ω或是 0.1Ω，那么此时功率计所测量到的输入电 压就是
133.3mA X 0.5Ω = 66.65mV AC
133.3mA X 0.1Ω = 13.33mV AC
所以从功率计上所测量到的信号电平 2V 和 13.33mV~66.65mV 比较来看，电压输出的电流传 感器的 S/N 比是较高的。
4.5 调整，计量是否较为方便 我司的电流传感器因为是电压输出的，所以要做调整，计量就较为方便。因此，涵盖了输
出电缆线部分都能做精度的标定。另外，包括线阻造成的微弱的压降部分都能够进行调整。 也能特制标配的测试线以外的长度。
我司的高精度电流传感器不只在直流和工频下，在高频领域也能够进行计量。以下是我司 的电流传感器的计量点的例子，在各频率点下都执行了可追溯的计量。
振幅:±DC, 50 Hz, 60 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 300 kHz, 700 kHz, 1 MHz
相位 : 50 Hz, 60 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 300 kHz, 700 kHz, 1 MHz
5 高精度测量的注意点 从长年研发电流传感器的经验中，我们总结了一些使用电流传感器去高精度的测量电流的
注意事项，下面做一个介绍。
5.1 测量导体需要放置在传感器的中心位置 无论是哪种电流传感器，都一定会受到导体位置的影响。其影响量随着测量频率变高，有
增大的倾向。即使是特性较好的贯通型电流传感器，一到 10kHz 以上的高频影响就会变大。
电流传感器厂家所标定的测量精度，一定是位于电流传感器中心位置时的精度。特别在测量 高频电流时，把导体放在传感器的中心位置，才能高精度，并且高重现性的去进行测量。
5.2 让电流传感器远离附近的导体 因为电流传感器检测的是被测物中流通的电流所产生的磁场，所以即便并非测量对象，但
是附近有导体流通电流的话，多多少少还是会受到一些影响的。特别高频电流的话，其影响 会更大。在测量时，需要考虑到受影响的可能性，再去进行测量。
6 高精度电流传感器精度的标定方式
我司的高精度电流传感器在测量频宽内，对所有的频率带宽都有精度标定。一般来说，电 流传感器所标定的精度都只是在导体位于传感器中心位置时的。但是，在实际使用的环境下， 想要把导体放置在中心位置其实也并没那么容易。Fig.5 中所示的，是我司高精度电流传感 器(CT6841)的频率特性和规格。对于各频带中所标定的精度，即使改变导体位置，也能满 足规格要求。
另外，我司对于高精度电流传感器的精度规格，在标定时都留有充足的余地。所以，实际 能力要比规格上标定的要强大得多。