功率分析儀測電流那些事兒

經常有客戶咨詢致遠的功率分析儀有幾種電流測量方式？分流器、互感器、傳感器、羅氏線圈等是否都匹配？測量時如何提高精度？本文和大家一起聊聊功率分析儀電流測量那些事兒。

電流測量是電子測量的基礎，傳統測量儀器數字萬用表通常適用于直流或工頻正弦波電流測量，鉗形電流表主要用于工頻正弦波電流測量。目前由于各種大功率的電力電子開關設備的普及應用，需要對交直流電流信號進行全面的測量：觀測其波形，分析信號的諧波含量，同時測量有效值、直流值、交流值等。PA系列功率分析儀就是一種能夠很好滿足這一需求的測試儀器。它是如何測量、如何接線，又是如何實現大電流測量的呢？大電流測量時精度如何提高呢？本文將一一為大家解答。

功率分析儀測電流

致遠功率分析儀電流測量有直接輸入和外部傳感器輸入兩種端口，其中直接輸入通道，輸入為電流信號，通過內部分流器轉換為電壓信號進行測量；傳感器輸入通道，輸入為電壓信號，可連接電壓輸出型的傳感器、互感器和外置分流器進行測量。

圖1 PA8000測量通道接口

功率分析儀擴展測電流

致遠PA功率分析儀直接輸入測電流有5A和50A功率單元可選擇，更大的電流可通過選擇合適的傳感器或互感器變換到功率單元的量程范圍內，對于功率分析儀只需設置相應的變換比例，計算上輸入到功率單元實際電壓或電流乘以一個系數，這對于軟件計算是沒有任何困難和限制的。

當使用的傳感器/互感器輸出為電流信號時，接入到PA功率分析儀的電流直接輸入端口，根據所用傳感器/互感器在PA功率分析儀上正確設置的“CT”比例系數，如100A/5A，則CT=100A/5A=20。

當使用的電流傳感器/電流互感器輸出為電壓信號時，接入到PA功率分析儀的外部傳感器端口（BNC接口），根據所用傳感器/互感器正確設置PA的“傳感器比率”，單位為mV/A，如電流鉗參數為1000A轉換為1V，則傳感器比率設為1mV/A。

功率分析儀擴展測電流可選傳感器/互感器/分流器/羅氏線圈

通常的電流傳感器/互感器是把大電流轉換為同頻同相的小電流以便于測量或實現隔離。根據不同的變換原理，電流測量主要有兩種方法：一種是基于電磁學原理的，比如電流互感器、霍爾電流傳感器、羅氏線圈等；另一種是基于電學的主要理論歐姆定律的，比如分流器等。

1、分流器

分流器又可以叫采樣電阻，最基本的歐姆定律，電流流過電阻產生電壓，可進行交直流測量。屬于非隔離測量，一般是低壓小電流。如圖 2 致遠PATV-33，高精度外置分流器，將電流信號轉換為電壓信號，阻值在3.3Ω左右（每個實物對應實測值），最大允許輸入電流300mA。

圖2 致遠PATV-33 

分流器接入功率分析儀上，可以采用以下幾種方式，提高測量精度：

●   分流器盡量靠近PA功率分析儀的輸入端；

●   分流器與PA功率分析儀輸入端的連線使用同軸電纜（同軸電纜有很好的電場磁場屏蔽作用）；

●   有些設備在回路中已預留分流器，客戶使用傳感器輸入測量預留的分流器，也需盡可能縮短PA功率分析儀與分流器之間距離，減少未屏蔽的環路面積。

圖3 縮短功率分析儀與分流器之間距離，減少未屏蔽的環路面積

2、霍爾傳感器

基于霍爾效應的電流鉗在鐵芯中加工一個氣隙放置霍爾元件。利用霍爾元件測量氣隙中的磁感應強度，根據控制方式不同，有開環和閉環兩種類型。開環霍爾型使用線性度較好的霍爾元件，霍爾元件輸出電壓正比于被測電流。閉環霍爾型使用零磁通技術，鐵芯上有補償線圈。開環和閉環霍爾型電流鉗都可以測量直流和交流，霍爾元件需要提供工作電壓，因此這兩種電流鉗都要供電，閉環霍爾需要驅動補償線圈耗電更大。這種類型傳感器非常昂貴并且很脆弱。因為高精度的傳感器目前使用的是磁通門技術，該技術要求必須保證傳感器處于供電正常狀態下，啟動被測設備，若上電、掉電和供電順序出錯，會導致傳感器測量不準，甚至損壞，所以相比較傳感器供電，被測電流要遵循遲到早退原則，否則會造成傳感器損壞。

圖4 傳感器/被測電路上電/掉電時序圖

圖5 致遠ZCS200

霍爾傳感器，接入功率分析儀上，可以采用以下幾種方式，提高測量精度：

●   使用雙絞線、屏蔽電纜或同軸電纜連接傳感器和測量儀器；

●   避免靠近強磁場；

●   除被測電流外避免靠近大電流電纜；

●   使用低噪聲電源給傳感器供電；

●   傳感器安裝需符合規范要求，承載被測電流的導體盡量垂直穿過傳感器通孔中心，電纜(或其它載流導體)最好充滿孔徑，見圖 6所示序號③、④、⑤所示。

圖6 傳感器安裝對比

3、互感器

電流互感器類似于一個初級匝數很少，次級匝數較多的變壓器，其原理是依據電磁感應原理，只能測試交流。它是不能測量直流電流的，通常設計為工頻測量，準確度為工頻下的參數，帶寬較窄，不適合用于諧波分析和非正弦測量。使用電流互感器一定注意不能將次級開路，否則將會產生高壓危及人身和設備安全。

圖7 法國CA116

互感器，接入功率分析儀上，可以采用以下幾種方式，提高測量精度：

●   使用同軸電纜連接互感器和測量儀器；

●   互感器避免靠近強交變磁場；

●   除被測電流外應避免靠近大電流電纜；

●   承載被測電流的導體盡量位于互感器通孔位置。

4、羅氏線圈

羅氏線圈也叫測量線圈、微分電流傳感器，是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈，只能測試交流，不能測試直流，由于交流測試，因輸出的是微分信號，PA功率分析儀本身無內置積分器，所以通常不能直接運用在PA上，但帶積分器的可以用在PA上，如致遠CTS6000，見圖 8。

圖8 致遠CTS6000

羅氏線圈，接入功率分析儀上，可以采用以下兩種方式，提高測量精度：

●   互感器避免靠近強交變磁場；

●   承載被測電流的導體盡量位于傳感器通孔中心。

總結

當被測電流超出功率分析儀量程范圍時，可通過外接傳感器/互感器/分流器/羅氏線圈擴展測電流，四種測量方法各有千秋，見表 1所示。在實際選型中，可以根據不同應用場合，選擇合適的測量方式。一般情況下使用電流直接輸入測量效果較好，當被測回路中存在較高共模干擾，又不存在低共模電壓接入點時，為了避免干擾，使用互感器或傳感器效果較好，當必須要用傳感器或互感器時，高精度電流輸出型傳感器比互感器、羅氏線圈效果好。

表1 四種電流檢測方式對比