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電力檢測技術

淺析電流互感變壓器技術要點與選擇

時間：2012-10-31

長期以來，電流互感變壓器作為儀器設備中的一種標準器件一直用來測量精密電流。即使在惡劣的環境和高溫條件下，這種器件也非常精確，使用方便可靠。
        在諸如開關電源、馬達電流負載檢測、照明及儀器等應用中，電流互感變壓器一般作為控制、電路保護和監測器件來使用。隨著電流互感變壓器現貨的日益增多，如何選擇一款合適的電流互感變壓器需要考慮多方面的因素，本文介紹一種簡單的選擇方法，這種方法在很多應用中對于選擇合適的高性價比器件非常有幫助。雖然現貨器件價格便宜，立等可取，但是在使用上有一些功能限制，某些應用可能需要特殊的產品，甚至需要完全定制。
        輸入電流
        首先，電流互感變壓器的選擇必須明確并驗證多項指標，例如尺寸大小、頻率、功能和采樣電流的范圍。它的精度和效率實際上取決于這些參數指標。除了可能會在電流互感變壓器精度上進行折中之外，如果電流互感變壓器使用時的電流超過了制造商規定的額定電流規范，那么其工作溫度就會不斷上升且無法控制，從而導致電路失效。
        另外，如果某種電流互感變壓器的額定值比其“采樣電流”高出很多，那么這種器件的尺寸不可避免地將會很大，對于其應用來說就顯得太昂貴了。一般而言，所選的電流互感變壓器的額定值約高于其“采樣電流”最大期望值的30%就是一種明智的選擇。
        匝數比
        常見的電流互感變壓器的匝數比范圍從1:10到1:1000不等。匝數比(r=Nsec/Npri)越高，電流測量的分辨率就越高。
        但是，值得注意的是，過高的匝數比將會導致分布電容和泄漏電感的增大，從而降低電流互感變壓器的精度和高頻下的工作性能(由于自諧振引起的)。然而，如果匝數比過低(低感應系數)，那么輸出信號可能會出現歪曲或者“下降”(單級輸入信號必定發生歪斜)，從而引起控制電路不穩定，測量結果不準確。
        感應系數和激勵電流
        電流互感變壓器的次級感應系數決定了輸出信號的保真度。感應系數的值與激勵電流成反比，激勵電流俗稱為“感應電流”。
        為了確保電流互感變壓器的最大容錯性能，激勵電流應該比采樣電流的幅值小若干倍。對于開關電源等大部分應用來說，取采樣電流的10%作為激勵電流的最大值是比較理想的。例如，如果某個電路在100kHz下對于1～20A的采樣電流必須保證最大10%的損耗，那么激勵電流的最大值必須設置為100mA(即最小采樣電流值的10%)。
        1A的采樣電流將產生10%的誤差，20A的采樣電流將產生0.5%的誤差。如果制造商提供的數據手冊中沒有標明激勵電流，那么可以通過以下公式計算出來：
                                                e = CLdI/dt
                                                 |dI/dt| = e/L
        其中e是器件輸出電壓(單位是V)，L是感應系數(單位是H)，|dI/dt| 是激勵電流與時間的比值(單位是A/s)。
        輸出電壓和負載電阻
        輸出電壓(Vo)應該設置得盡可能低，以減少介入損耗。假設某個電路的最優次級輸出電壓是0.5V，輸出電流為20A，那么匝數比為1:100的電流互感變壓器就會產生約200mA的次級電流。負載電阻應該為：Ro=Vo/Is = 0.5/0.2 = 2.5Ω。