超越直流应用的超精密电流测量

宽带精密功率计将电压和电流信号数字化。将采样值 u(t) 和 i(t) 相乘。将所得功率曲线 p(t) 在一个或多个基本周期内求算术平均值，即可得到有功功率 P。功率测量的精度取决于电压和电流采样值的幅值精度、这些采样值之间的时间延迟，以及用于确定周期长度的测量间隔或零交叉点的精度。

第一代变频器出现在20世纪60年代末。直到20多年后，才出现了能够处理变频器极陡电压沿和失真电流信号的测量设备。20世纪90年代初推出的LEM NORMA D 6000功率分析仪便是其中一例。当时，电流测量采用超宽带同轴分流器以及所谓的GUARD技术，该技术可最大限度地减少共模干扰。在高电位下测量极陡峭的电压沿时，会产生从测量通道流向设备外壳的共模电流，从而导致幅值和相位角误差。

图1：有功功率计算

在测量变频器和电动机的损耗时，另一个挑战在于它们的高效率，以及损耗无法直接测量的这一事实。这些驱动组件的损耗计算始终基于输入功率和输出功率。对于变频器而言，这意味着输入端的直流电功率和输出端的交流电功率。对于电动机而言，则分别指电输入功率和机械输出功率。虽然各个有功功率值可以以相当高的精度进行测量，但在考虑损耗测量的不确定度时，必须考虑到输入和输出功率测量中的误差可能呈相反方向——例如，输入功率测量值过高而输出功率测量值过低。因此，损耗测量的不确定度在很大程度上取决于组件的效率。不难看出，对于效率接近99%的逆变器，测量误差可能会导致实际损耗出现超过100%的偏差。因此，在计算驱动组件的损耗时，必须使用精度最高的功率计和传感器。

如前所述，就幅值精度和相位保真度而言，外部同轴分流器过去非常适合此类测量。然而，在高电压且严重失真的电压信号下测量分流器输出端的小电压降却非常困难。连接的测量设备必须具备极高的共模抑制比。此外，外部大电流同轴电阻的价格非常昂贵。

多年来，超精密的DCCT电流传感器—其与测量信号之间采用电隔离—一直被用于扩展功率计的测量范围。该技术最初是为调节粒子加速器中的线性直流大电流源而开发的。在医疗技术领域，其早期应用之一是磁共振成像（MRI）扫描仪中的磁场测量。

仅靠高直流精度还不足以精确计算逆变器中的损耗。传感器必须在高达数百千赫的宽频范围内保持幅值精度，且不得在实际电压和电流信号之间引入额外的相位偏移。此类相位偏移会改变功率因数，并导致有功功率和损耗计算出现误差。

首批量产的 DCCT 传感器尚未针对测量更高频率的交流电流进行优化。这可能是这些电流传感器在扩展功率计测量范围方面迟迟未能得到广泛应用的原因之一。此外，老一代传感器对外部交流磁场的敏感度相对较高。

然而，如今它们已成为标准配置。专用传感器现已覆盖从直流到数兆赫兹的频率范围。这些传感器通常仅用于极高频应用，例如新型高速半导体开关的信号分析。在这些情况下，开关频率可接近100 kHz，而当负载电感极低时，开关频率的高频谐波理论上可延伸至兆赫兹范围。

对于典型的功率和损耗测量，并不需要如此宽的频率范围。测量电路中的阻抗会显著衰减电流中的大部分高频分量。而且，如果电流中不存在频率分量，那么该频率下也不会存在有功功率分量——因为只有同频的电压和电流信号分量才会产生有功功率或损耗。

DCCT电流传感器比变频器中常用的标准霍尔效应传感器准确数百倍。遗憾的是，其设计也复杂得多。过去，需要两个相同的电感器来测量电流的直流分量。第二个电感器仅用于补偿主磁芯中第一个电感器引起的干扰。这些电感器必须以极高的精度和一致性制造。本报告不会深入探讨旧式模拟技术的具体工作原理。

在开发最新一代 DCCT 传感器时，LEM 充分利用了其在其他电流测量技术领域积累的、关于微处理器控制误差补偿的丰富专业知识。在新推出的 IN 系列中，用于抑制噪声的第二个电感器已被取消。

Fig. 2: LEM high precision IN range

在生产过程中，会采集用于直流测量的电感器所引起的干扰，将其数字化并存储在处理器中，随后通过数模转换器（D/A）、模拟放大器以及主磁芯中的补偿绕组进行补偿。如今，该传感器几乎不再需要任何容易产生误差的模拟元件。就连偏移量调整也存储在FPGA中。最新型传感器的典型直流精度处于低个位数ppm范围内。LEM已为这项新技术申请了专利。

图3：传统的模拟DCCT与采用FPGA补偿的新技术

如今，传感器在开发时也考虑了交流优化。在此领域，LEM同样依托其对适用于变流器应用的直流/交流电流传感器所积累的深厚专业知识。在交流电路中，DCCT传感器与标准的电流补偿霍尔效应传感器仅有细微差异。作为宽带功率测量技术的专家，SIGNALTEC已建立了一个设备齐全的测量与测试实验室，可在宽频范围内对开发阶段的产品进行幅值和相位精度测量。

在生产环境中对高压电池进行测试历来是一项复杂的任务。为了简化测试台中传感器的使用，需要配备专用的传感器电源。这应能确保连接的传感器和负载稳定运行，并保持高精度的信号完整性。为应对这些挑战，SIGNALTEC 开发了单通道和多通道传感器系统（MCTS），两者均配备电隔离的电源通道。丰富的配件可将传感器的输出信号适配至测量设备上的各类电流或电压输入接口。

将传感器集成到自动化系统中通常需要进行专门的信号数字化处理，特别是在电池制造生产线末端的测试装置中。高精度、高速的EtherCAT转换器能够实时提供这一功能。这些转换器与早期型号相比已有了显著发展。最早的所谓EtherCAT转换器仅能测量电流，并在输出端提供EtherCAT协议。而最新系统（例如REDCUR与SIGNALTEC合作开发的Powerlens）如今不仅能提供完整的电流和电压测量功能及EtherCAT输出，还额外支持CAN协议。

DCCT 传感器已成为扩展宽带功率分析仪测量范围的行业标准，新型数字补偿型 DCCT 传感器在直流和交流电流测量方面均能提供越来越精确的测量结果。

LEM 与其合作伙伴 SIGNALTEC 和 REDCUR 共同致力于超精密 DCCT 电流传感器领域。SIGNALTEC 提供针对交流电优化的 CT 传感器，以及便于集成到测试台所需的配件。而 REDCUR 则提供用于在生产环境中测试高压电池的完整测量系统。

在高频测试台上，可测量换能器的振幅和相位偏差，最高频率可达500 kHz。参考标准包括同轴分流器和脉冲电流互感器。

使用一个1000 A的脉冲电流源，测量信号转换器中的时间延迟。

在大功率试验台上，可模拟直流电源和功率因数可调的交流低频电源，电压最高可达1200 V，电流最高可达2000 A。

Powerlens测量系统的调整。