تقنيات الاستشعار الحالية باستخدام أجهزة استشعار التيار المختلفة

التيار عامل حاسم للغاية في الإلكترونيات أو الهندسة الكهربائية. في الإلكترونيات ، يمكن أن يكون للتيار نطاق ترددي من عدد قليل من الأمبيرات النانوية إلى مئات الأمبيرات. يمكن أن يكون هذا النطاق أوسع بكثير في المجال الكهربائي عادةً إلى عدة آلاف من الأمبير ، خاصة في شبكات الطاقة. هناك طرق مختلفة لاستشعار وقياس التيار داخل دائرة أو موصل. في هذه المقالة ، سنناقش كيفية قياس التيار باستخدام تقنيات الاستشعار الحالية المختلفة مع مزاياها وعيوبها وتطبيقاتها.

طريقة استشعار تيار مستشعر تأثير القاعة

اكتشف عالم الفيزياء الأمريكي إدوين هربرت هول تأثير هول ويمكن استخدامه لاستشعار التيار. يستخدم بشكل عام لاكتشاف المجال المغناطيسي ويمكن أن يكون مفيدًا في العديد من التطبيقات مثل عداد السرعة وإنذار الباب و DIY BLDC.

ينتج مستشعر Hall Effect جهد خرج اعتمادًا على المجال المغناطيسي. نسبة جهد الخرج تتناسب مع المجال المغناطيسي. أثناء عملية الاستشعار الحالية ، يتم قياس التيار عن طريق قياس المجال المغناطيسي. جهد الخرج منخفض جدًا ويحتاج إلى تضخيمه إلى قيمة مفيدة باستخدام مكبر صوت عالي الكسب مع ضوضاء منخفضة جدًا. بصرف النظر عن دائرة مكبر للصوت ، يتطلب مستشعر Hall Effect دوائر إضافية لأنه محول خطي.

الايجابيات:

1. يمكن استخدامها بتردد أعلى.
2. يمكن استخدامه في كل من التيار المتردد والتيار المستمر بدقة.
3. طريقة غير قائمة على الاتصال.
4. يمكن استخدامها في بيئة قاسية.
5. إنه موثوق.

سلبيات:

1. ينجرف المستشعر ويتطلب تعويضًا.
2. تتطلب الدائرة الإضافية إخراجًا مفيدًا.
3. مكلفة من التقنية القائمة على التحويلة.

تُستخدم مستشعرات Hall Effect في عدادات المشابك وكذلك في العديد من تطبيقات استشعار التيار الصناعي والسيارات. يمكن للعديد من أنواع مستشعرات تأثير هول الخطي استشعار التيار من عدة ميلي أمبير إلى آلاف الأمبيرات. نتيجة لذلك ، يستخدم تطبيق Smart Grid Monitoring أيضًا نوعًا مختلفًا من مستشعر تأثير Hall لمراقبة تيار الموصل.

طريقة الاستشعار الحالية لبوابة التدفق

المحث القابل للإشباع هو المكون الرئيسي لتقنية استشعار Fluxgate. نتيجة لذلك ، يُطلق على مستشعر Fluxgate اسم مستشعر تيار الحث القابل للإشباع. يعمل قلب الحث المستخدم في مستشعر Fluxgate في منطقة التشبع. مستوى تشبع هذا المحرِّض حساس للغاية وأي كثافة تدفق داخلية أو خارجية تغير مستوى تشبع المحرِّض. تتناسب نفاذية القلب بشكل مباشر مع مستوى التشبع ، وبالتالي يتغير الحث أيضًا. يتم تحليل هذا التغيير في قيمة المحرِّض بواسطة مستشعر بوابة التدفق لاستشعار التيار. إذا كان التيار مرتفعًا ، يصبح الحث أقل ، وإذا كان التيار منخفضًا ، يصبح الحث مرتفعًا.

يعمل مستشعر Hall Effect بشكل مشابه لمستشعر fluxgate ، ولكن هناك اختلاف واحد بينهما. الاختلاف في جوهر المادة. يستخدم مستشعر Flux Gate محثًا قابلًا للتشبع ولكن مستشعر Hall Effect يستخدم قلب الهواء.

في الصورة أعلاه ، يظهر البناء الأساسي لمستشعر بوابة التدفق. هناك ملفان أوليان وثانويان ملفوفان حول قلب محث قابل للإشباع. يمكن للتغييرات في التدفق الحالي أن تغير نفاذية اللب مما يؤدي إلى تغيير المحاثة عبر الملف الآخر.

الايجابيات:

1. يمكن القياس في نطاق واسع من التردد.
2. لديه دقة كبيرة.
3. انخفاض الإزاحة والانجرافات.

سلبيات:

1. ارتفاع استهلاك الطاقة الثانوية
2. يزيد عامل الخطر للجهد أو الضوضاء الحالية في الموصل الأولي.
3. مناسب فقط للتيار المستمر أو التيار المتردد منخفض التردد.

تستخدم مستشعرات Fluxgate في محولات الطاقة الشمسية لاستشعار التيار. بخلاف ذلك ، يمكن إجراء قياس التيار المتردد والتيار المستمر في الحلقة المغلقة بسهولة باستخدام مستشعرات بوابة التدفق. يمكن أيضًا استخدام طريقة استشعار تيار بوابة التدفق في قياس تيار التسرب ، واكتشاف التيار الزائد ، إلخ.

طريقة الاستشعار الحالية لفائف Rogowski

تم تسمية ملف Rogowski على اسم عالم الفيزياء الألماني Walter Rogowski. يتم تصنيع ملف Rogowski باستخدام ملف حلزوني ذو قلب هوائي وملفوف حول الموصل المستهدف لقياس التيار.

في الصورة أعلاه ، يظهر ملف Rogowski بدائرة إضافية. الدائرة الإضافية هي دائرة تكامل. يوفر ملف Rogowski جهد الخرج اعتمادًا على معدل التغيير الحالي في الموصل. يلزم وجود دائرة تكامل إضافية لصنع جهد خرج يتناسب مع التيار.

الايجابيات:

1. إنها طريقة جيدة لاكتشاف التغيير السريع للتيار عالي التردد.
2. التشغيل الآمن من حيث التعامل مع الملف الثانوي.
3. حل منخفض التكلفة.
4. المرونة في المناولة بسبب بناء الحلقة المفتوحة.
5. تعويض درجة الحرارة ليس معقدًا.

سلبيات:

1. مناسب فقط للتيار المتردد
2. لديه حساسية منخفضة من المحولات الحالية.

ملف Rogowski لديه مجموعة واسعة من التطبيقات. على سبيل المثال ، قياس التيار في وحدات الطاقة الكبيرة ، خاصة عبر MOSFETs أو الترانزستورات عالية الطاقة أو عبر IGBT. يوفر ملف Rogowski خيار قياس مرن. نظرًا لأن استجابة ملف Rogowski سريعة جدًا عبر الموجات العابرة أو الموجات الجيبية عالية التردد ، فهي خيار جيد لقياس عابرات التيار عالي التردد في خطوط الطاقة. في توزيع الطاقة أو في الشبكة الذكية ، يوفر ملف Rogowski مرونة ممتازة للقياسات الحالية.

طريقة الاستشعار الحالية للمحول الحالي

يستخدم المحول الحالي أو CT لاستشعار التيار بالجهد الثانوي الذي يتناسب مع التيار في الملف الثانوي. إنه محول صناعي يحول القيمة الكبيرة للجهد أو التيار إلى قيمة أصغر بكثير في ملفه الثانوي. يتم أخذ القياس عبر الإخراج الثانوي.

في الصورة أعلاه ، يظهر البناء. إنه محول CT مثالي مع نسبة أولية وثانوية مثل 1: N. يعتمد N على مواصفات المحول. تعرف على المزيد حول المحولات هنا.

الايجابيات:

1. قدرة المعالجة الحالية الكبيرة ، أكثر من الطرق الأخرى الموضحة في هذه المقالة.
2. لا تتطلب دوائر إضافية.

سلبيات:

1. يتطلب صيانة.
2. يحدث التخلف بسبب المغنطة.
3. يشبع التيار الأولي العالي المواد الأساسية الفريتية.

يتمثل الاستخدام الرئيسي لتقنية الاستشعار الحالية القائمة على المحولات المقطعية في شبكة الطاقة نظرًا لقدرة قياس التيار العالية جدًا. يستخدم عدد قليل من أجهزة قياس المشبك أيضًا محول تيار لقياس التيار المتردد.

طريقة استشعار تيار المقاوم التحويلة

هذه هي الطريقة الأكثر استخدامًا في تقنيات الاستشعار الحالية. تستند هذه التقنية إلى قانون أوم.

يتم استخدام المقاوم منخفض القيمة المتسلسل لاستشعار التيار. عندما يتدفق التيار عبر مقاوم منخفض القيمة ، فإنه ينتج فرق جهد عبر المقاوم.

لنأخذ مثالا.

افترض أن 1A من التيار يتدفق من خلال المقاوم 1 أوم. وفقًا لقانون أوم ، الجهد يعادل مقاومة التيار x. لذلك ، عندما يتدفق تيار 1A عبر المقاوم 1 أوم ، فإنه سينتج 1 فولت عبر المقاوم. تعتبر القوة الكهربائية للمقاوم عاملاً حاسماً يجب مراعاته. ومع ذلك ، هناك مقاومات ذات قيمة صغيرة جدًا متوفرة أيضًا في السوق ، حيث تكون المقاومة في نطاق ميلي أوم. في مثل هذه الحالة ، يكون فرق الجهد عبر المقاوم صغيرًا جدًا أيضًا. مطلوب مكبر للصوت عالي الكسب لزيادة سعة الجهد وأخيراً ، يتم قياس التيار باستخدام أساس الحساب العكسي.

طريقة بديلة لهذا النوع من تقنية الاستشعار الحالية هي استخدام تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور كمقاوم تحويلة. نظرًا لأن التتبع النحاسي لثنائي الفينيل متعدد الكلور يقدم مقاومة صغيرة جدًا ، يمكن للمرء استخدام التتبع لقياس التيار. ومع ذلك ، في مثل هذا النهج البديل ، فإن العديد من التبعيات هي أيضًا مصدر قلق كبير للحصول على نتيجة دقيقة. العامل الرئيسي الذي يغير قواعد اللعبة هو الانحراف في درجة الحرارة. اعتمادًا على درجة الحرارة ، تتغير مقاومة التتبع مما يؤدي إلى نتيجة خطأ. يحتاج المرء إلى تعويض هذا الخطأ في التطبيق.

الايجابيات:

1. حل فعال من حيث التكلفة للغاية
2. يمكن أن تعمل في AC و DC.
3. معدات إضافية غير مطلوبة.

سلبيات:

1. غير مناسب للتشغيل الحالي العالي بسبب تبديد الحرارة.
2. يوفر قياس التحويلة انخفاضًا غير ضروري في كفاءة النظام بسبب إهدار الطاقة عبر المقاوم.
3. يوفر الانجراف الحراري خطأ نتيجة تطبيق درجة حرارة عالية.

يتضمن تطبيق المقاوم Shunt مقياس أمبير رقمي. هذه طريقة دقيقة وأرخص تكلفة بخلاف مستشعر Hall Effect. يمكن لمقاوم التحويل أيضًا أن يوفر مسارًا منخفض المقاومة ويسمح للتيار الكهربائي بتمرير نقطة واحدة إلى نقطة أخرى في الدائرة.

كيف يتم اختيار طريقة الاستشعار الحالية المناسبة؟

اختيار الطريقة المناسبة للاستشعار الحالي ليس بالأمر الصعب. هناك عدد قليل من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار الطريقة الصحيحة ، مثل:

1. ما مقدار الدقة المطلوبة؟
2. قياس التيار المتردد أو التيار المتردد أو كليهما؟
3. كم استهلاك الطاقة المطلوب؟
4. ما هو النطاق الحالي وعرض النطاق الترددي المطلوب قياسه؟
5. التكلفة.

بخلاف ذلك ، يجب أيضًا مراعاة الحساسية المقبولة ورفض التداخل. نظرًا لأنه لا يمكن استيفاء كل عامل ، يتم إجراء بعض المفاضلات للتنازل عن ميزة مع الأخرى اعتمادًا على أولوية متطلبات التطبيق.