功率分析仪测电流那些事儿
品慧电子讯：经常有客户咨询致远的功率分析仪有几种电流测量方式？分流器、互感器、传感器、罗氏线圈等是否都匹配？测量时如何提高精度？本文和大家一起聊聊功率分析仪电流测量那些事儿。
电流测量是电子测量的基础，传统测量仪器数字万用表通常适用于直流或工频正弦波电流测量，钳形电流表主要用于工频正弦波电流测量。目前由于各种大功率的电力电子开关设备的普及应用，需要对交直流电流信号进行全面的测量：观测其波形，分析信号的谐波含量，同时测量有效值、直流值、交流值等。PA系列功率分析仪就是一种能够很好满足这一需求的测试仪器。它是如何测量、如何接线，又是如何实现大电流测量的呢？大电流测量时精度如何提高呢？本文将一一为大家解答。
功率分析仪测电流
致远功率分析仪电流测量有直接输入和外部传感器输入两种端口，其中直接输入通道，输入为电流信号，通过内部分流器转换为电压信号进行测量；传感器输入通道，输入为电压信号，可连接电压输出型的传感器、互感器和外置分流器进行测量。
图1 PA8000测量通道接口
功率分析仪扩展测电流
致远PA功率分析仪直接输入测电流有5A和50A功率单元可选择，更大的电流可通过选择合适的传感器或互感器变换到功率单元的量程范围内，对于功率分析仪只需设置相应的变换比例，计算上输入到功率单元实际电压或电流乘以一个系数，这对于软件计算是没有任何困难和限制的。
当使用的传感器/互感器输出为电流信号时，接入到PA功率分析仪的电流直接输入端口，根据所用传感器/互感器在PA功率分析仪上正确设置的“CT”比例系数，如100A/5A，则CT=100A/5A=20。
当使用的电流传感器/电流互感器输出为电压信号时，接入到PA功率分析仪的外部传感器端口（BNC接口），根据所用传感器/互感器正确设置PA的“传感器比率”，单位为mV/A，如电流钳参数为1000A转换为1V，则传感器比率设为1mV/A。
功率分析仪扩展测电流可选传感器/互感器/分流器/罗氏线圈
通常的电流传感器/互感器是把大电流转换为同频同相的小电流以便于测量或实现隔离。根据不同的变换原理，电流测量主要有两种方法：一种是基于电磁学原理的，比如电流互感器、霍尔电流传感器、罗氏线圈等；另一种是基于电学的主要理论欧姆定律的，比如分流器等。
1、分流器
分流器又可以叫采样电阻，最基本的欧姆定律，电流流过电阻产生电压，可进行交直流测量。属于非隔离测量，一般是低压小电流。如图 2 致远PATV-33，高精度外置分流器，将电流信号转换为电压信号，阻值在3.3Ω左右（每个实物对应实测值），最大允许输入电流300mA。
图2 致远PATV-33
分流器接入功率分析仪上，可以采用以下几种方式，提高测量精度：
● 分流器尽量靠近PA功率分析仪的输入端；
● 分流器与PA功率分析仪输入端的连线使用同轴电缆（同轴电缆有很好的电场磁场屏蔽作用）；
● 有些设备在回路中已预留分流器，客户使用传感器输入测量预留的分流器，也需尽可能缩短PA功率分析仪与分流器之间距离，减少未屏蔽的环路面积。
图3 缩短功率分析仪与分流器之间距离，减少未屏蔽的环路面积
2、霍尔传感器
基于霍尔效应的电流钳在铁芯中加工一个气隙放置霍尔元件。利用霍尔元件测量气隙中的磁感应强度，根据控制方式不同，有开环和闭环两种类型。开环霍尔型使用线性度较好的霍尔元件，霍尔元件输出电压正比于被测电流。闭环霍尔型使用零磁通技术，铁芯上有补偿线圈。开环和闭环霍尔型电流钳都可以测量直流和交流，霍尔元件需要提供工作电压，因此这两种电流钳都要供电，闭环霍尔需要驱动补偿线圈耗电更大。这种类型传感器非常昂贵并且很脆弱。因为高精度的传感器目前使用的是磁通门技术，该技术要求必须保证传感器处于供电正常状态下，启动被测设备，若上电、掉电和供电顺序出错，会导致传感器测量不准，甚至损坏，所以相比较传感器供电，被测电流要遵循迟到早退原则，否则会造成传感器损坏。
图4 传感器/被测电路上电/掉电时序图
图5 致远ZCS200
霍尔传感器，接入功率分析仪上，可以采用以下几种方式，提高测量精度：
● 使用双绞线、屏蔽电缆或同轴电缆连接传感器和测量仪器；
● 避免靠近强磁场；
● 除被测电流外避免靠近大电流电缆；
● 使用低噪声电源给传感器供电；
● 传感器安装需符合规范要求，承载被测电流的导体尽量垂直穿过传感器通孔中心，电缆(或其它载流导体)最好充满孔径，见图 6所示序号③、④、⑤所示。
图6 传感器安装对比
3、互感器
电流互感器类似于一个初级匝数很少，次级匝数较多的变压器，其原理是依据电磁感应原理，只能测试交流。它是不能测量直流电流的，通常设计为工频测量，准确度为工频下的参数，带宽较窄，不适合用于谐波分析和非正弦测量。使用电流互感器一定注意不能将次级开路，否则将会产生高压危及人身和设备安全。
图7 法国CA116
互感器，接入功率分析仪上，可以采用以下几种方式，提高测量精度：
● 使用同轴电缆连接互感器和测量仪器；
● 互感器避免靠近强交变磁场；
● 除被测电流外应避免靠近大电流电缆；
● 承载被测电流的导体尽量位于互感器通孔位置。
4、罗氏线圈
罗氏线圈也叫测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，只能测试交流，不能测试直流，由于交流测试，因输出的是微分信号，PA功率分析仪本身无内置积分器，所以通常不能直接运用在PA上，但带积分器的可以用在PA上，如致远CTS6000，见图 8。
图8 致远CTS6000
罗氏线圈，接入功率分析仪上，可以采用以下两种方式，提高测量精度：
● 互感器避免靠近强交变磁场；
● 承载被测电流的导体尽量位于传感器通孔中心。
总结
当被测电流超出功率分析仪量程范围时，可通过外接传感器/互感器/分流器/罗氏线圈扩展测电流，四种测量方法各有千秋，见表 1所示。在实际选型中，可以根据不同应用场合，选择合适的测量方式。一般情况下使用电流直接输入测量效果较好，当被测回路中存在较高共模干扰，又不存在低共模电压接入点时，为了避免干扰，使用互感器或传感器效果较好，当必须要用传感器或互感器时，高精度电流输出型传感器比互感器、罗氏线圈效果好。
表1 四种电流检测方式对比
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