Áramérzékelési technikák különböző áramérzékelők alkalmazásával

Az áram nagyon kritikus tényező az elektronikában vagy az elektrotechnikában. Az elektronikában az áram sávszélessége néhány n-ampertől több száz amperig terjedhet. Ez a tartomány az elektromos területeken általában több ezer amperig terjedhet, különösen az elektromos hálózatokban. Különböző módszerek léteznek az áram érzékelésére és mérésére egy áramkör vagy egy vezeték belsejében. Ebben a cikkben fogjuk megvitatni , hogyan kell mérni a jelenlegi használó különböző áram érzékelő technológiák azok előnyeit, hátrányait és alkalmazásokat.

Hall-effektus-érzékelő áramérzékelési módszere

A Hall Effect-et Edwin Herbert Hall amerikai fizikus fedezte fel, és fel lehet használni az áram érzékelésére. Általában mágneses tér érzékelésére használják, és számos alkalmazásban hasznos lehet, például sebességmérő, ajtóriasztó, DIY BLDC.

A Hall Effect érzékelő kimeneti feszültséget állít elő a mágneses mezőtől függően. A kimeneti feszültség aránya arányos a mágneses térrel. Az áramérzékelési folyamat során az áramot a mágneses tér mérésével mérjük. A kimeneti feszültség nagyon alacsony, és hasznos értékre kell erősíteni nagy erősítésű, nagyon alacsony zajszintű erősítő használatával. Az erősítő áramkörön kívül a Hall Effect szenzor további áramkört igényel, mivel lineáris átalakító.

Előnyök:

1. Nagyobb frekvencián használható.
2. Pontosan használható váltóáramban és egyenáramban is.
3. Kapcsolattartás nélküli módszer.
4. Durva környezetben használható.
5. Megbízható.

Hátrányok:

1. Az érzékelő sodródik és kompenzációt igényel.
2. További áramkör szükséges a hasznos kimenethez.
3. Költséges, mint a sönt alapú technika.

A Hall Effect érzékelőket bilincsmérőkben, valamint számos ipari és autóipari áramérzékelő alkalmazásban használják. A lineáris Hall-effektus-érzékelők számos típusa képes érzékelni az áramot több milliampertől amperekig. Emiatt a Smart Grid Monitoring Application egy másik típusú Hall effektus-érzékelőt is használ a vezető áramának figyelemmel kísérésére.

Fluxus kapu érzékelő áramérzékelési módszer

A Fluxgate érzékelési technika fő összetevője egy telíthető induktivitás. Emiatt a Fluxgate érzékelőt telített induktív áram érzékelőnek hívják. A fluxgate érzékelőhöz használt induktív mag a telítettség területén működik. Ennek az induktornak a telítettségi szintje nagyon érzékeny, és bármilyen belső vagy külső fluxussűrűség megváltoztatja az induktor telítettségi szintjét. A mag permeabilitása közvetlenül arányos a telítettségi szinttel, ezért az induktivitás is változik. Az induktor értékének ezt a változását a fluxus kapu érzékelő elemzi az áram érzékeléséhez. Ha az áram nagy, akkor az induktivitás alacsonyabbá válik, ha az áram alacsony, akkor az induktivitás magas lesz.

A Hall Effect érzékelő hasonlóan működik, mint a fluxgate érzékelő, de van egy különbség közöttük. A különbség a mag anyagában van. A Flux Gate érzékelő telített induktivitást használ, de a Hall Effect érzékelő levegőmagot használ.

A fenti képen a fluxus kapu érzékelő alapvető felépítése látható. Két elsődleges és másodlagos tekercs van telítve egy telíthető induktív mag körül. Az áramlás változásai megváltoztathatják a mag permeabilitását, ami az induktivitás változását eredményezi a másik tekercsen.

Előnyök:

1. Széles frekvenciatartományban képes mérni.
2. Nagy pontossággal rendelkezik.
3. Alacsony eltolás és sodródás.

Hátrányok:

1. Nagy másodlagos energiafogyasztás
2. Az elsődleges vezető feszültségének vagy áramának kockázati tényezője növekszik.
3. Csak egyenáramú vagy alacsony frekvenciájú váltakozó áramra alkalmas.

A Fluxgate érzékelőket a Solar inverterekben használják az áram érzékelésére. Ezen kívül a zárt hurkú AC és DC áram mérése könnyen elvégezhető a Flux Gate érzékelők használatával. A fluxus kapu áramérzékelési módszer szivárgásméréshez, túláram érzékeléshez stb.

Rogowski tekercsáram érzékelési módszer

A Rogowski tekercset Walter Rogowski német fizikusról nevezték el. A Rogowski tekercs spirális alakú légmag tekercs segítségével készül, és az áram mérésére a célzott vezető köré tekerik.

A fenti képen a Rogowski tekercs látható további áramkörökkel. A kiegészítő áramkör egy integrátor áramkör. A Rogowski tekercs a kimeneti feszültséget a vezető áramváltozásának sebességétől függően biztosítja. Az árammal arányos kimeneti feszültség létrehozásához további integráló áramkörre van szükség.

Előnyök:

1. Jó módszer a nagyfrekvenciás áram gyors változásának észlelésére.
2. Biztonságos működés a másodlagos tekercs kezelése szempontjából.
3. Olcsó megoldás.
4. Rugalmas kezelhetőség a nyílt hurkú konstrukciónak köszönhetően.
5. A hőmérséklet-kompenzáció nem összetett.

Hátrányok:

1. Csak váltóáramra alkalmas
2. Alacsony érzékenységű, mint az áramváltó.

A Rogowski tekercs széles körben alkalmazható. Például az áram mérése nagy teljesítményű modulokban, különösen a MOSFET vagy nagy teljesítményű tranzisztorokon vagy az IGBT-n keresztül. A Rogowski tekercs rugalmas mérési lehetőséget biztosít. Mivel a Rogowski tekercs reakciója nagyon gyors tranziensek vagy nagyfrekvenciás szinuszos hullámok felett, jó választás a villamos vezetékek nagyfrekvenciás áramátmeneteinek mérése. Az áramelosztásban vagy az intelligens hálózatban a Rogowski tekercs kiváló rugalmasságot biztosít az árammérésekhez.

Áramváltó áramérzékelési módszere

Áramváltót vagy CT-t használnak az áram érzékelésére szekunder feszültséggel, amely arányos a szekunder tekercs áramával. Az ipari transzformátor átalakítja a feszültség vagy az áram nagy értékét szekunder tekercsében sokkal kisebb értékre. A mérést a szekunder kimeneten végzik.

A fenti képen a konstrukció látható. Ideális CT transzformátor, amelynek elsődleges és szekunder aránya 1: N. Az N függ a transzformátor specifikációitól. Tudjon meg többet a transzformátorokról itt.

Előnyök:

1. Nagy áramkezelési kapacitás, több, mint a cikkben bemutatott egyéb módszerek.
2. Ne igényeljen további áramkört.

Hátrányok:

1. Karbantartást igényel.
2. A hiszterézis a mágnesezés miatt következik be.
3. A nagy primer áram telíti a ferritmag anyagokat.

A CT transzformátor alapú áramérzékelési technika elsősorban az áramhálózatban található, a nagyon nagy árammérési képesség miatt. Kevés bilincsmérő használ áramváltót a váltakozó áram méréséhez.

Shunt ellenállás áramérzékelési módszer

Ez a jelenlegi érzékelési technikákban a leggyakrabban használt módszer. Ez a technika Ohm törvényen alapszik.

Az áram érzékelésére sorozatosan kis értékű ellenállást használnak. Amikor az áram kis értékű ellenálláson áramlik, feszültségkülönbséget eredményez az ellenálláson.

Vegyünk egy példát.

Tegyük fel, hogy 1A áram áramlik át 1 ohmos ellenálláson. Ohm törvény szerint a feszültség egyenértékű az áram x ellenállással. Ezért amikor 1A áram áramlik át egy 1 ohmos ellenálláson, akkor az 1 V-ot állít elő az ellenálláson. Az ellenállás teljesítménye kritikus szempont, amelyet figyelembe kell venni. Vannak azonban nagyon kis értékű ellenállások is a piacon, ahol az ellenállás mili ohm tartományban van. Ilyen esetben az ellenállás feszültségkülönbsége is nagyon kicsi. Nagy erősítésű erősítőre van szükség a feszültség amplitúdójának növeléséhez, végül az áramot a fordított számítási alapon mérik meg.

Az ilyen típusú áramérzékelési technika alternatív megközelítése, hogy a NYÁK nyomkövetését shunt ellenállásként használja. Mivel a NYÁK réz nyoma nagyon kicsi ellenállást mutat, a nyom segítségével fel lehet mérni az áramot. Ilyen alternatív megközelítés esetén azonban számos függőség is óriási gondot jelent a pontos eredmény elérése érdekében. A fő játékváltoztató tényező a hőmérséklet sodródása. A hőmérséklettől függően a nyomellenállás megváltozik, ami hibát eredményez. Ki kell téríteni ezt a hibát az alkalmazásban.

Előnyök:

1. Nagyon költséghatékony megoldás
2. Működhet AC és DC között.
3. További felszerelés nem szükséges.

Hátrányok:

1. Hőelvezetés miatt nem alkalmas nagyobb áramú üzemre.
2. A söntmérés szükségtelen csökkenést eredményez a rendszer hatékonyságában az ellenálláson keresztüli energiapazarlás miatt.
3. A termikus sodródás hibát eredményez magas hőmérsékletű alkalmazásban.

A Shunt ellenállás alkalmazása digitális erősítőmérőt tartalmaz. Ez egy pontos és olcsóbb módszer, a Hall Effect érzékelőn kívül. A söntellenállás alacsony ellenállási utat is biztosíthat, és lehetővé teszi, hogy az elektromos áram az áramkör egyik pontját átjuttassa a másik pontjába.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő áramérzékelési módszert?

Az aktuális érzékelés megfelelő módszerének kiválasztása nem nehéz dolog. A megfelelő módszer kiválasztásához kevés tényezőt kell figyelembe venni, például:

1. Mennyi pontosságra van szükség?
2. DC vagy AC mérés vagy mindkettő?
3. Mennyi energiafogyasztás szükséges?
4. Mi az aktuális mérendő tartomány és sávszélesség?
5. Költségszámítás.

Ezeken kívül figyelembe kell venni az elfogadható érzékenységet és az interferencia elutasítását is. Mivel minden tényezőt nem lehet kielégíteni, néhány kompromisszumot azért hajtanak végre, hogy az egyik funkció kompatibilis legyen a másikkal, az alkalmazási követelmény prioritásától függően.