智慧能源與自動化應用中的負載監測感測技術

感測技術讓能源使用更加智慧

能源量測對於現代社會節約能源和計費來說非常重要。 在歐盟的大型火力發電廠指令等計畫下，不少化石燃料發電廠已經關閉，迫使電網更加依賴可再生能源。 因此提高了需求管理的重要性，並且鼓勵消費者改變行為。 全球各地政府開始部署智慧儀表，目標是為公用事業和消費者提供所需資訊，以便管理供應並降低需求，藉此確保電網的穩定性，同時對抗氣候變遷。

改用智慧儀表需要時間，但是家用能源顯示裝置（圖 1）已經投入市場。 這些裝置能提供使用者即時的能耗數據，協助找出節能的機會。 裝在儀表箱中的感測器單元會收集精確的電流量測數據，以此進行電力和能源計算，再以無線方式將數據傳輸到家中的接收器與顯示單元。 電流感測器必須容易安裝，且僅會對既有儀表或是引入場地的主電纜造成最小干擾。最理想的情況是只需要簡單地夾上電纜即可，而不需要連接電路。

圖 1：含夾式感測器及資訊顯示單元的家用能源顯示器可提供用量資料，無需全面性的智慧儀表升級。

設備管理與防護感測

獨立電流感測器除了用於當今興起的智慧能源應用之外，也在工業自動化中扮演多種角色，例如協助確保設備操作時的能源效率、快速偵測設備故障，或是協調安全聯鎖。 可偵測的電流範圍從微弱的幾毫安培，到高達數十或數百安培。 資訊傳送到 PLC 就能讓系統設定警報或採取修正措施（圖 2）。

圖 2：機器的電流相依控制與外部電路。

功率因數校正 (PFC) 廣泛地用於協助提升能源效率並且預防 AC 線路遭到諧波干擾。 大型馬達等高電感式負載具有低功率因數，除非在輸入端連接修正電容組。 在最高負載下，功率因數最差，此時需要的電容最大。 然而負載較輕時，若未減少電容就會發生過度修正。 監測馬達的輸入電流能讓系統偵測施加的負載。 若是輕度負載，電流動作開關就會斷開 PFC 電容，以免過度修正。

自動化工廠設備故障時，盡快偵測到錯誤並採取補救措施非常重要。 例如工業鍋爐控制，或需要精確控制加熱溫度的製藥流程。 加熱元件的任何故障都必須迅速偵測，以免損失生產力，但使用溫度監測功能偵測故障的速度較慢。 倘若直到溫度有了顯著改變才採取動作，會危及品質並浪費寶貴的材料。 若可在元件故障時就偵測到突發性電流降低，就可提供立即指示，用於觸發及時回應，例如開啟備用加熱器。

相同地，感測馬達的輸入電流就可立即偵測到輸送帶阻塞等問題，電流量測結果會傳送到 PLC，以便馬達迅速關閉，以確保安全。

電流感測在工業設備中的另一項應用就是管理安全聯鎖。 安全聯鎖的設計可保護操作人員，避免護罩在機具運轉時開啟。 此外，聯鎖也可確保各種驅動與致動器只會按照正確的順序工作，以免設備受損或協助協調製程。 由於電流消耗量能可靠地指出子系統目前是開啟或關閉，因此電流動作開關是協調這些聯鎖的理想方式。

最後，在用於改善整體工業安全的計畫中，除了一般安裝在主要斷路器的保護電路之外，接地故障保護也成為每台機器的基本配備。 使用接地故障感測器來監測設備電力線中的電流，就能快速且安全地偵測微小漏電流，找出接地電路的故障徵兆。

電流感測器的選擇

適合用於電流動作開關、故障偵測器和儀表電路的感測器，其重要特性包含：電氣隔離以達到最高安全性、對受監測的電路消耗最少電力、容易使用和低成本。 根據應用的不同，量測範圍和頻寬，以及承受嚴峻環境條件的能力也是重要標準。 霍爾感測器、比流器、羅氏線圈感測器等元件是符合上述要求的三種主要感測器。

霍爾感測器

霍爾效應電流感測器會對載流導體週遭產生的磁場有所反應，並產生與導體中電流成比例的輸出電壓。 典型的線性電流感測器結合了含有霍爾元件的 IC，以及用來集中霍爾效應 IC 磁通量的磁芯。 IC 和磁芯設計在塑膠外罩中，以確保兩個元件能夠有精確的相對位置。

Infineon 的 TLI4970 霍爾感測器包含積分差動霍爾感測器，且無需集中器。 既然無需集中器，也就沒有磁滯效應，而差動感測原理則可預防外部磁場干擾電流量測。 TLI4970 將霍爾感測器整合在類比與數位訊號調節電路旁（圖 3），與相似的感測器相比只佔用六分之一的電路板空間。 此元件能量測高達 ±50 A 的交流或直流電流。儘管羅氏線圈和比流器等其他感測器在量測範圍中普遍能提供更好的線性度，但高電流量測能力仍是霍爾感測器眾所皆知的長處。

圖 3：TLI4970 消除磁滯效應並節省 PCB 空間。

比流器

比流器長期使用在切換式電源供應器等設備中進行控制、電路保護和監測，也可在儀表應用中執行精確的電流量測。 這些元件能量測交流電流，並在一次與二次繞組之間提供電氣隔離。

一次繞組的額定電流能有效控制量測範圍，且高匝數比可以達到高量測解析度。 根據不同的比流器和應用，比率可能介於 1:20 到 1:1000 之間。 極高的比率會強化比流器中的電容和感應效應，導致量測不準確。 另一方面，選擇太低的匝數比也會因為輸出訊號失真而造成誤差。

比流器的另一個缺點就是適合量測高電流的元件，尺寸較大。 另一方面，小型表面黏著式比流器，如 Murata 的 5300 系列，適合用於馬達控制、切換式電源供應器和電子照明安定器等設備，而且可以量測高達 10 A、最大頻寬為 500 kHz 的電流。

典型比流器纏繞在環狀金屬磁芯上，且載流電纜必須穿過其中心。 或者，亦可使用分離式磁芯設計讓比流器夾在纜線周圍。 如此即可簡化感測器的安裝作業，家用數據顯示器就是例子之一。CR Magnetics 的 CR4100 系列真實 RMS AC 電流傳感器能精確量測正弦或非正弦電流波形，並提供環形或分離式磁芯配置的訂購選項。

羅氏線圈感測器

使用羅氏線圈原理的電流感測器宣稱能提供數種超越霍爾感測器或比流器的優點。 包含能在未飽和下量測大電流、比其他類型感測器更大的頻寬，以及量測每微秒差異高達數千安培的高速變化電流。 還可量測大量 DC 偏移的微小 AC 電流。

羅氏線圈電流感測器置放在載流導體周圍，如圖 4 所示。 導體中的電流會使線圈產生與電流變化率成比例的感應電壓。 對此電壓進行積分，就能計算出瞬間電流。 積分電路可建置在外部，或建構在感測器內部，以便在輸出端產生與電流成比例的電壓。 由於此線圈並未與載流電路有電力連接，因此具有電氣隔離。

圖 4：羅氏線圈置放在要量測的載流纜線周圍。

羅氏線圈電流感測器的設計能量測介於數百毫安培到數百千安培的電流範圍。Pulse Electronics 提供豐富的感測器選擇，包含 PA320 系列，其動態範圍介於 0.1 A 至 1000 A、頻寬為 500 kHz，且超高準確度符合 ANSI C12.20 準確等級 0.2 和 IEC 62053-21 等級 1 規格。 因此此感測器能用於智慧儀表進行精確的電流量測。

結論

霍爾效應電流感測器、比流器和羅氏線圈電流感測器的應用從儀表應用的高準確電流量測，到利用高速電流監測協助管理工業機具與即時偵測重大故障，能讓設計人員靈活選擇，達到符合效能、可靠性和成本等重要目標的解決方案。