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(cè)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(cè)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(guó)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?cè)诟哧P(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(guó)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)電壓降的信號(hào)調(diào)理電路必須處理相對(duì)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(hào)。

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(cè)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。

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(cè)，采用“開爾文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，針對(duì)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(duì)的引線施加電流并且在另外兩個(gè)引線上測(cè)量感測(cè)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(chǎng)而對(duì)篡改具有合理免疫力的好處，這會(huì)影響一些其他電流測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(jí)繞組磁芯，其通常由鐵制成，并具有次級(jí)繞組。在初級(jí)中流動(dòng)的AC在核心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在次級(jí)中感應(yīng)出AC，其可以通過其所連接的電路來測(cè)量。對(duì)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?，尤其是在?yīng)用需要更復(fù)雜的測(cè)量時(shí)，例如無功和諧波能量測(cè)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(chǎng)。 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(chǎng)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(jí)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?hào)調(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?；谶\(yùn)算放大器電路或數(shù)字集成。

圖2：Rogowski線圈的示意圖。

數(shù)字處理在典型智能電表所需的長(zhǎng)使用壽命內(nèi)提供可靠的性能，并克服了模擬元件隨時(shí)間和溫度漂移所帶來的問題，這將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。此外，模擬組件可能會(huì)引入需要相位校準(zhǔn)的輕微相位變化。數(shù)字積分器具有一致且準(zhǔn)確的相位響應(yīng)。高速32位微處理器的成本和功耗下降使得數(shù)字集成變得越來越可行，并且可以通過使用軟件開關(guān)使單個(gè)電表設(shè)計(jì)與電流互感器或Rogowski線圈兼容，并且可以接受 - 集成功能的更高處理負(fù)載。

盡管Rogowski線圈不像電流互感器那樣容易受到篡改，但如果不采取補(bǔ)救措施，有些方法可能會(huì)影響信號(hào)。線圈本身受外部磁場(chǎng)的影響，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)。然而，仔細(xì)設(shè)計(jì)線圈以抵消磁場(chǎng)通?？捎行Х乐勾判源鄹摹Ｓ绊憘鞲衅鞯牧硪环N機(jī)制是使用電感耦合。法拉第籠可用于防止這種情況以及阻止電容耦合的影響。

電流傳感器次級(jí)繞組與通過它的導(dǎo)體或母線之間存在小電容。如果母線具有高電壓電位（電網(wǎng)供電的情況），則交流信號(hào)將通過該小電容并影響電流傳感器的輸出。在電流傳感器周圍放置金屬屏蔽可以減少這種影響，但不一定能完全消除它。 Pulse Electronics制造的電流傳感器，如PA320XNL系列，使用特別設(shè)計(jì)的法拉第屏蔽，非?？拷渭?jí)繞組。屏蔽可防止高壓母線的交流信號(hào)影響輸出，消除了電容耦合的影響。

與電流互感器相比，Rogowski線圈傳感器可以做成開放式。由于它們沒有金屬芯，它們可以用鉸鏈制成兩個(gè)部分，并夾在導(dǎo)體上而不是需要分開的導(dǎo)體上，這樣它就可以通過電流傳感器的中心。不同形狀和尺寸有許多可能性，可以隨時(shí)使用母線和圓形導(dǎo)線。

另一種非接觸式解決方案是霍爾效應(yīng)傳感器，盡管這通常不能提供分流電阻，電流互感器或Rogowski線圈的高精度。因此，霍爾效應(yīng)傳感器往往在公用事業(yè)儀表中使用較少，準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)至關(guān)重要。然而，他們正在智能電網(wǎng)應(yīng)用中尋找應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，他們?yōu)樵O(shè)備級(jí)能源監(jiān)控制作合適，易于應(yīng)用的傳感器，分析數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)的效率或分析可再生能源系統(tǒng)的性能。

像Rogowski線圈或電流互感器一樣無接觸，霍爾效應(yīng)傳感器不需要電流隔離。與Rogowski線圈提供的導(dǎo)數(shù)相比，霍爾效應(yīng)傳感器還提供直流讀數(shù)。它們本質(zhì)上是電子的，它們開始利用集成來預(yù)處理信號(hào)，使其進(jìn)入典型微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的范圍。

圖3：IMC結(jié)構(gòu)將磁場(chǎng)通量聚焦到集成傳感器中的霍爾效應(yīng)元件上。

Melexis的MLX91205是霍爾效應(yīng)傳感器的一個(gè)例子，其設(shè)計(jì)易于靠近導(dǎo)體組裝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝用于制作電流傳感器。附加的鐵磁層，也稱為集成磁性集中器（IMC），在簡(jiǎn)單的后處理步驟中添加。鐵磁層放大磁場(chǎng)并將其集中在霍爾元件上。 IMC本身由直接粘合到霍爾傳感器芯片表面的高滲透，低矯頑場(chǎng)，非晶鐵磁層組成。 IMC用于將磁場(chǎng)通量線集中到霍爾元件上，霍爾元件大約是IMC尺寸的十分之一。

IMC的兩個(gè)部分收集并放大平行于芯片表面的小磁通量，并將面內(nèi)分量局部旋轉(zhuǎn)到垂直于芯片表面的磁場(chǎng)中。傳統(tǒng)的霍爾傳感器對(duì)垂直于其表面的磁場(chǎng)敏感，而IMC霍爾傳感器對(duì)平行于其表面的磁場(chǎng)敏感。

IMC-Hall傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)塑料SOIC-8封裝，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的貼片機(jī)將其安裝到印刷電路板（PCB）上，并使用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。測(cè)量的電流直接通過位于傳感器下方的PCB的當(dāng)前軌道發(fā)送，或者傳感器可以安裝在電流導(dǎo)體下方一小段距離。

圖4：具有并聯(lián)場(chǎng)感應(yīng)的IMC霍爾傳感器可以安裝在載流PCB走線的頂部，或者安裝在有線導(dǎo)體或母線下方。

傳感器的電流范圍受導(dǎo)體和屏蔽幾何形狀的限制。通過增加母線的橫截面或傳感器與電流導(dǎo)體之間的距離，可以容易地增加電流范圍。傳感器可監(jiān)控PCB上的5A至100 A或母線上的電流高達(dá)1000 A.

隨著霍爾效應(yīng)技術(shù)的發(fā)展并與片上處理相結(jié)合，我們可以期望精度和功率處理隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多選擇，因?yàn)楣β蕼y(cè)量變得更加普遍。