In power systems, precise energy metering is the cornerstone for fair transactions, energy conservation, and stable system operation. As a critical component in energy monitoring systems, the accuracy of current transformers (CTs) directly determines the precision of final readings. However, beyond the well-known “ratio error” (amplitude error), a frequently overlooked yet crucial parameter—phase angle error—can have a critical impact on energy measurement accuracy under specific conditions.
To understand phase angle error, we must first recognize the gap between ideal theory and practical reality.
Ideal scenario: An ideal current transformer should output a secondary current signal that is exactly opposite in phase to the primary (main circuit) current signal, maintaining a perfect 180° phase difference.
Reality: In actual transformers, the secondary current phase does not precisely oppose the primary current by 180°, but instead exhibits a slight angular deviation. The angle between this actual secondary current vector and the ideal opposing primary current vector is defined as the phase angle error.
According to international standards, when the secondary current vector leads the ideal position in phase, the phase angle error is positive (+); conversely, when it lags, the phase angle error is negative (-). This seemingly insignificant angle is crucial for high-precision energy metering.
The root cause of phase angle error lies in the inherent characteristics of the transformer’s physical structure and electromagnetic principles, specifically the presence of the excitation current.
Current transformers operate similarly to transformers: primary current flowing through the core generates a magnetic field, which in turn induces a secondary current. To establish this necessary magnetic field in the core, the transformer itself consumes a portion of energy. The current corresponding to this energy consumption is the exciting current.
Magnetizing Component: Used to establish the magnetic field in the core, its phase lags behind the induced electromotive force by 90°.
Iron loss component: Compensates for energy losses in the core due to hysteresis and eddy currents under alternating magnetic fields. Its phase is in phase with the induced electromotive force.
Since the primary current I₁ equals the vector sum of the secondary current I₂ (converted to the primary side) and the excitation current I₀ (I₁ = I₂ + I₀), the presence of the non-coincident excitation current I₀ inevitably creates a phase difference between I₁ and I₂. This phase difference ultimately manifests as the angle difference in the mutual inductor.
Simply put, the angular difference is essentially a “disturbance” in the phase relationship of currents caused by the excitation current. All factors affecting the magnitude and phase of the excitation current—such as the magnetic properties of the core material, the load (burden) connected to the secondary side, and the magnitude of the primary current itself—directly influence the angular difference.
3. How Does the Angular Difference Affect the Accuracy of Electrical Energy Monitoring?
The formula for calculating electrical energy (active power) is:
P = U × I × cos(φ), where φ is the phase angle between voltage and current, and cos(φ) represents the power factor.
Phase angle error in the transformer directly alters the phase angle φ measured by the energy meter, leading to errors in power calculation.
Error propagation relationship: The total error in energy measurement is approximately equal to the sum of the voltage ratio error, current ratio error, and phase angle error. A simplified formula can be expressed as:
Power measurement error ≈ Voltage ratio error + Current ratio error + tan(φ) × Δφ
Where Δφ represents the phase angle error introduced by the instrument transformers.
Key Influencing Factor: Power Factor
High power factor (cos(φ) ≈ 1, φ ≈ 0°): tan(φ) is very small, and the angular error Δφ contributes minimally to the total error. Measurement error is primarily determined by the “ratio error” (amplitude error).
Low power factor (cos(φ) → 0, φ → ±90°): tan(φ) becomes extremely large. Even a small phase angle error Δφ, amplified by tan(φ), can cause significant power measurement errors.
For example: In a circuit with an extremely low power factor, even if the ratio error (amplitude error) of the instrument transformer is very small, the final calculated energy reading may still deviate significantly from the true value if any phase angle error exists.
4. Manifestations of Phase Angle Error Impact
Inductive loads (e.g., motors, transformers with lagging power factor): A positive phase error typically causes the meter reading to exceed actual energy consumption, resulting in unnecessary electricity charges for the user.
Capacitive loads (e.g., capacitor banks, excessively long cables, leading power factor): A positive phase angle error causes the meter reading to understate actual energy consumption, resulting in losses for the power supplier.
In modern industrial and commercial settings, the widespread use of variable frequency drives, motors, LED lighting, and switching power supplies has made grid power factor increasingly complex and often suboptimal. Against this backdrop, the phase angle difference of current transformers has evolved from a secondary parameter into a critical factor determining whether an energy monitoring system can operate with “accuracy and fairness.”
Electromagnetic compatibility (EMC) is a critical design consideration in modern electronic equipment. Electromagnetic interference (EMI) not only affects the normal operation of equipment, but can also violate regulatory requirements. To effectively suppress these disturbances, engineers use a wide range of filtering components, with inductors playing a central role. Among the many types of inductors, Common Mode Chokes and Differential Mode Inductors are two of the most commonly used and have very different functions.
Although both are used for EMI filtering, the types of disturbances they target, their structures and operating principles are very different. In this article, we will discuss the essential differences between common mode choke and differential mode inductors, their application scenarios, and provide practical selection points to help engineers make the right choice in circuit design.
A common mode inductor, also known as a common mode choke, is a filtering element primarily used to suppress common mode interference.
Common Mode Noise (CMN) is a noise signal with the same direction and size on two signal lines (e.g., power lines L and N, or data lines D+ and D-) relative to the ground or reference plane. This interference is usually caused by external EMF coupling or unbalanced circuitry within the device and is radiated outward through the cable or introduced into the device internally through the cable.
The typical construction of a common mode inductor is that two or more sets of coils are wound on the same high permeability ferrite core with the same number of turns and orientation.
The operating principle is based on magnetic field cancellation and high impedance effects:
For differential mode signals (useful signals): When normal differential mode currents (i.e., signals of opposite directions and equal sizes on two lines) flow through two windings, the magnetic fluxes they generate in the cores are in opposite directions and cancel each other out. Therefore, the impedance of a common mode inductor to a differential mode signal is extremely low and hardly affects the transmission of useful signals.
For common-mode signals (noise): When common-mode currents (in the same direction) flow through two windings, they generate magnetic flux in the core in the same direction, superimposed on each other. This causes the core to exhibit high inductance, which creates an extremely high impedance to common-mode noise and achieves the purpose of suppressing and attenuating common-mode interference.
1.2 Structural Characteristics
Common mode choke usually have four pins (two inlets and two outlets) and are composed of two windings with the homonymous ends of the windings located on the same side of the magnetic ring.
Differential Mode Inductor
2.1 Definition and Working Principle
Differential Mode Inductor is a traditional inductive component mainly used to suppress differential mode interference.
Differential Mode Noise (DMN) is a noise signal with opposite direction and unequal size between two signal lines. This kind of interference is directly superimposed on the useful signal and is usually caused by internal factors such as the switching action of the switching power supply, load changes or signal line impedance mismatch.
The structure of a differential mode inductor is similar to that of an ordinary inductor, which usually has only one winding, wound on a magnetic core.
Its working principle is based on the self-inductive effect of the inductor:
For differential mode signals (useful signals and noise): A differential mode inductor impedes the change of current flowing through itself. Whether it is a normal differential mode signal or differential mode noise, as long as the current flows through the inductor, it will be affected by its inductance.
Filtering effect: differential mode inductor through its high frequency impedance characteristics, the high frequency of the differential mode noise attenuation, while the low frequency of the useful signals (such as power supply DC or low-frequency AC component) to maintain a low impedance, so as to achieve filtering.
2.2 Structural Characteristics
Differential mode inductors usually have only two pins and only one winding. In EMI filtering circuits, it is usually connected in series on the power or signal line.
Core Differences Comparison
The core distinction between common-mode chokes and differential-mode chokes lies in the types of noise they address, their structural design, and their impact on useful signals. The table below summarizes the key differences between the two:
Common-mode interference (noise in the same direction relative to ground)
Common-mode interference (noise between signal lines)
Working Principle
Flux superposition produces high impedance (for common mode), while flux cancellation produces low impedance (for differential mode).
Self-inductance creates high impedance (to all high-frequency currents)
Structure
Two windings, wound in the same direction on the same magnetic core
A winding, wound around the magnetic core
Number of pins
4 (two in, two out)
2 (one in, one out)
For useful signals
Extremely low impedance with virtually no attenuation
There is a certain amount of impedance, which may cause slight attenuation of the useful signal.
Application Location
Typically used at the input/output ends of power cables or high-speed signal lines to filter out radiated interference.
Typically used in series with power cables or signal lines to filter out conducted interference.
Escenarios de aplicación
4.1 Application Scenarios for Common-Mode Chokes
Due to their excellent suppression of common-mode noise without affecting differential-mode signal transmission, common-mode chokes are widely used in the following scenarios:
Switching Power Supplies (SMPS): At the input stage of AC/DC or DC/DC converters, they suppress common-mode noise generated by switching operations, preventing its conduction and radiation through power lines.
Data Communication Interfaces: High-speed differential signal lines such as USB, HDMI, and Ethernet (RJ45 connectors). Common-mode chokes effectively filter externally coupled common-mode noise while preserving differential signal integrity.
Automotive Electronics: Employed in vehicle networks (e.g., CAN, LIN) and power lines to withstand complex electromagnetic environments.
4.2 Differential Mode Choke Applications
Differential mode chokes primarily suppress differential mode noise on power lines, often paired with capacitors to form π-type or L-type filters:
Power Line Filtering: At power inputs, combined with X capacitors to create differential mode filter circuits that attenuate internally generated differential mode conducted interference.
Low-frequency applications: Suitable for low-frequency power filtering or signal processing circuits where high-frequency signal attenuation is not critical.
DC/DC converter outputs: Used to smooth output current and suppress the differential mode component in switching ripple.
Selection Criteria
Proper selection is critical to ensuring effective EMI filtering. When choosing common-mode and differential-mode inductors, the following core parameters must be considered:
Rated Current (I_rated): The choke must withstand the circuit’s maximum continuous operating current.
Common Mode Impedance (Z_CM): This is the most critical parameter. Select chokes exhibiting maximum impedance at the target noise frequency (typically tens to hundreds of MHz). Higher impedance yields better suppression.
Differential Mode Impedance (Z_DM): Select inductors with low differential mode impedance to minimize attenuation of useful signals.
DC Resistance (DCR): Lower DCR is preferable to reduce power loss and temperature rise.
Operating Frequency Range: Select appropriate core material and winding structure based on the circuit’s operating frequency and noise frequency.
5.2 Key Considerations for Differential Mode Inductor Selection
Inductance (L): Determine the inductance value based on the required cutoff frequency and filtering characteristics. Higher inductance provides better attenuation of low-frequency noise.
Rated Current (I_rated): Similar to common-mode inductors, it must meet the circuit’s maximum operating current requirement.
Saturation Current (I_sat): When current increases beyond a certain threshold, the core saturates, causing inductance to drop sharply. During selection, the saturation current must exceed the peak current in the circuit to ensure filtering performance.
DC Resistance (DCR): Similarly, DCR should be as low as possible.
Conclusión
Common-mode ckoke and differential-mode inductors are the two indispensable forces in EMI filter circuits. Common-mode inductors, with their unique dual-winding structure, efficiently suppress common-mode interference while protecting the integrity of useful signals. They are the preferred choice for high-speed signal and power line radiation suppression. The differential mode inductor, through the self-inductance effect, directly attenuates the differential mode interference and is the cornerstone of power conduction filtering.
Understanding the fundamental differences among them: different suppression objects, different structures, and different working principles, is the basis for correct circuit design and component selection. Only by reasonably combining the specific types of interference and circuit requirements can an electronic system that meets strict EMC standards be constructed.
In power systems, measuring devices such as electricity meters typically need to be connected to high-voltage or high-current circuits via current transformers (CTs). A common standard is that the interface parameters of electricity meters and the rated secondary current of their matching CTs are almost always 5A (or 1A). This article will delve into the reasons behind this standard and, in conjunction with common parameter markings on electricity meters, explain how to correctly select the matching current transformer.
The current transformer parameters supported by the meter are usually marked on the meter, such as 0.25-5(6)A, 0.015-1.5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, etc. These parameters identify the operating range and technical requirements when connecting to an external CT. These parameters identify the operating range and technical requirements of the meter when connected to an external CT: Take 0.015-1.5(6)A as an example: * Starting current (0.015): the minimum current of 15mA that the meter can accurately measure. * Basic current Ib(1.5):The rated current value of the energy meter is 1.5A, and the accuracy level of the energy meter can be guaranteed when it works under this current. * Maximum current Imax(6): the maximum current at which the meter can be carried safely and continuously without damage, 6 A. This is covered in the IEC/EN 62053 specification for electricity meters.
Two core principles must be followed in selecting a matching current transformer: secondary current matching and primary current sizing. a. Matching of rated secondary current (key) The rated secondary current of the CT must match the basic current Ib of the energy meter. – For meters with parameters 0.25-5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, you need a current transformer with a 5A rated secondary current. – For energy meters with parameters 0.015-1.5(6)A (used in specific scenarios although the base current is not 5A/1A standard), you need to equip a CT with a rated secondary current of 1.5A (these are less common and usually follow the 5A or 1A standard). b. Selection of Rated Primary Current and Variable Ratio The rated primary current of the CT (which determines the variable ratio, e.g., 100/5A, 500/5A, 100/1A) should be selected in accordance with the load current of the actual primary circuit. The selection principle is to make the actual load current of normal operation close to the rated primary current of the CT. According to IEC/EN 61869 standard, 1.2 times of the rated primary current is also in line with the nominal accuracy of the product, so the best measurement accuracy can be ensured. Therefore, for energy meters with parameters of 0.015-1.5(6)A, the best match is a current transformer (CT) with a secondary rated output of 1A. If you are interested in the measurement of small currents and do not have high requirements for measurement accuracy and range, you can also choose a current transformer (CT) with a secondary rated output of 100mA.
3. Why has 5A (or 1A) become the industry standard?
Returning to the question at the heart of the article, why has the industry generally adopted 5A or 1A as the standard secondary current for CTs? The reason is a combination of performance, standardization, and safety: Performance Requirements and Historical Reasons Early electromechanical energy meters and protective relays required a certain amount of physical energy (power) to actuate the mechanical components. 5A current provided a strong enough signal and power to ensure reliable and accurate operation of these devices. Current signals in the milliamp range are too weak, susceptible to interference and unable to drive older devices. Standardization and Global Interchangeability 5A is established as the global standard for the power industry, ensuring that devices from different manufacturers and countries are easily compatible and interchangeable, greatly simplifying system design, manufacturing and maintenance. Balancing Safety and Economy The core safety objective of the CT is to isolate the high voltage high current circuits from the low voltage measurement circuits. 5A’s relatively low secondary current reduces operational risk. At the same time, the 5A strikes a good balance between cabling costs, wire cross-section requirements and power loss. Where long wiring distances are required, the 1A standard is used to further reduce line losses (1A losses are only 4% of 5A). In summary, the selection of 5A (or 1A) as the standard secondary current for CTs is the result of engineering practices that optimize performance, cost, historical compatibility and operational reliability.
The Rogowski Coils (RC) and Current Transformers (CTs) are two core technologies for measuring alternating current, both of which operate based on the principle of electromagnetic induction. However, there are fundamental structural differences between the two the design with or without a magnetic core leads to significant differences in their performance, application scenarios and safety. CT adopts a core structure and performs exceptionally well in high-precision, low-frequency and steady-state measurements. RC adopts a coreless design, featuring greater flexibility, a wider dynamic range and anti-saturation characteristics, making it an ideal choice for high-current, high-frequency and transient applications.
I. Fundamental Differences: Principle and Structure
The core design is the most critical differentiator between the two technologies.
Requires an external integrator circuit to convert the derivative voltage signal back into a signal proportional to the current.
Output current is typically measured directly or converted to voltage via a burden resistor.
II. Performance and Safety Comparison
The coreless design of the Rogowski coil provides distinct advantages in dynamic range and safety, while the iron core of the CT offers inherent simplicity and high accuracy at rated conditions.
– DC current measurement (RCs only measure AC/rate of change).
– High-Frequency and Transient analysis (e.g., power electronics, motor inrush, fault currents).
– Applications where the cost/complexity of the integrator is prohibitive.
– Retrofitting or installations with irregular conductors or limited space.
– Standard utility metering where high-accuracy, low-frequency measurement is the sole requirement.
Transformador de corriente
– Standard Utility Metering and revenue applications (high accuracy at 50/60 Hz).
– High-current measurement where saturation is a risk.
– Relay Protection and industrial monitoring at power-line frequencies.
– High-frequency or transient current analysis.
– Applications where simplicity and low cost are prioritized.
– Installations with irregular busbars or tight space constraints.
Conclusión
Rogowski coils and Current Transformers are complementary technologies. The Current Transformer remains the workhorse for traditional, high-accuracy, steady-state power monitoring and protection at power-line frequencies. The Rogowski Coil, with its coreless design, offers a modern, flexible, and safer solution that excels in demanding environments involving high currents, wide dynamic ranges, and high-frequency transients, particularly in power quality analysis and power electronics testing.
En los sistemas industriales de medición y control, los transmisores de corriente y los transmisores de tensión convierten las señales analógicas en señales eléctricas normalizadas para su transmisión a larga distancia a salas de control con fines de supervisión, registro y control. La uniformidad de estas señales normalizadas es fundamental para garantizar la interoperabilidad entre distintos dispositivos y la estabilidad del sistema. La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) ha establecido 4-20 mA CC y 1-5 V CC (mediante conversión resistiva) como los estándares de señal analógica para los sistemas de control de procesos.
1. Ventajas de las señales de corriente
Las señales de corriente ofrecen ventajas significativas sobre las señales de tensión durante la transmisión a larga distancia. Los entornos industriales suelen sufrir graves interferencias electromagnéticas, que distorsionan fácilmente las señales de tensión. Además, las señales de tensión sufren caídas de tensión debido a la resistencia de los cables durante la transmisión prolongada, lo que provoca atenuación de la señal y errores de medición.
Las ventajas de las señales actuales se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
- Gran resistencia a las interferencias: Las tensiones de ruido en entornos industriales pueden alcanzar varios voltios, pero la potencia de ruido es débil, generando normalmente corrientes de ruido por debajo del nivel nA. Las señales de corriente se ven menos afectadas por la resistencia de la línea, resisten la atenuación y garantizan una transmisión de datos fiable en entornos con mucho ruido eléctrico. - Larga distancia de transmisión: Las fuentes de corriente presentan una resistencia interna infinita, lo que significa que la resistencia de los cables en serie dentro del bucle no afecta a la precisión. Mientras el bucle de transmisión no esté ramificado, la corriente que lo atraviesa permanece constante independientemente de la longitud del cable. Esto permite la transmisión a través de cables de par trenzado estándar durante cientos de metros o más, garantizando la precisión de la transmisión. - Cableado reducido: La transmisión de señales 4-20 mA a dos hilos proporciona simultáneamente alimentación y señal, lo que reduce el uso de cables y, por tanto, los costes y la complejidad del cableado.
2. Por qué la señal de 4-20 mA CC
La señal 4-20 mA CC es la señal analógica estándar más ampliamente adoptada en las aplicaciones industriales. Su selección no es casual, sino que se basa en consideraciones técnicas y de seguridad polifacéticas.
2.1 Razón para seleccionar 4mA como punto de partida ("Cero vivo")
La elección de 4mA como punto de partida de la señal 4-20mA, en lugar de 0mA, es una de sus características más críticas, conocida como "Cero Vivo." - Diagnóstico de fallos: Cuando la señal lee 0mA, indica claramente una rotura de línea (circuito abierto) o un fallo del dispositivo, en lugar de un valor de medida cero. Esto hace que el diagnóstico de fallos sea sencillo e intuitivo, evitando la confusión entre una señal cero y un fallo de cable roto. - Alimentación del sensor: En el caso de los transmisores de dos hilos, la corriente de 4 mA proporciona la corriente de funcionamiento mínima necesaria para los sensores, garantizando su correcto funcionamiento. Esto elimina la necesidad de cables de alimentación adicionales, simplificando el cableado.
2.2 Razones para seleccionar 20 mA como punto final
La elección de 20 mA como valor de la señal de escala completa también se basa en consideraciones de seguridad y practicidad.
- Seguridad: La energía de chispa generada por el flujo de corriente de 20 mA es insuficiente para encender el gas, cumpliendo los requisitos de seguridad intrínseca a prueba de explosiones, críticos en entornos industriales inflamables y explosivos. - Consumo de energía y coste: Al tiempo que garantiza la calidad de transmisión de la señal y la velocidad de respuesta, 20 mA representa un valor de corriente relativamente bajo, lo que ayuda a reducir el consumo de energía y los costes de los equipos.
Conclusión
En resumen, la señal de 4-20 mA CC se ha convertido en el estándar más adoptado en la automatización industrial y el control de procesos debido a su excepcional resistencia a las interferencias, su capacidad de transmisión a larga distancia, su exclusiva función de diagnóstico de fallos "live zero" y su seguridad inherente. Transmite datos de medición de forma fiable, al tiempo que reduce eficazmente los costes de cableado y mejora la fiabilidad del sistema.
Los sensores de corriente de la serie HAS indican la magnitud y dirección de la corriente medida a través de sus señales de salida de tensión. Su característica principal es que la señal de salida toma 2,5 V como punto central y se desplaza según la dirección y magnitud de la corriente sobre esta base. Este diseño permite al sensor medir corriente bidireccional.
Para el sensor de corriente HAS14Z, su rango de tensión de salida es de 2,5V ± 0,625V. Esto significa:
-Corriente cero (0A): Cuando no pasa corriente por el sensor, la tensión de salida es de 2,5V. - Corriente hacia adelante: Cuando la corriente es hacia adelante, la tensión de salida aumentará de 2,5V a un máximo de 2,5V + 0,625V = 3,125V. - Corriente inversa: Cuando la corriente es inversa, la tensión de salida disminuirá de 2,5V a 1,875V, con un mínimo de 2,5V - 0,625V = 1,875V.
Este rango de 2,5V±0,625V suele corresponder al rango de corriente nominal de medida del sensor. Por ejemplo, para HAS2009, su corriente nominal es ±20A; Para HAS4009, su corriente nominal es ±100A.
3. Método de cálculo actual
A través de la sensibilidad nominal (SN) del sensor, podemos convertir la señal de tensión recogida en el valor real de la corriente. La fórmula de cálculo es la siguiente IP = (Vout - 2,5V)/SN
Entre ellas:
-IP es la corriente medida (unidad: A) - Vout es la tensión emitida por el sensor (unidad: V) -2,5V es la tensión de referencia a corriente cero -SN es la sensibilidad nominal del sensor (unidad: V/A o mV/A).
Por ejemplo:
Supongamos que se utiliza el sensor de corriente HAS14Z (SN = 104,2 mV/A o 0,1042 V/A).
-Si Vout se mide a 2,8V: IP = (2,8V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ 2,88A (corriente directa) -Si Vout se mide a 2,2V: IP = (2,2V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ -2,88A (corriente inversa).
- VCC (+5V): Entrada positiva de alimentación del sensor, conectada a una fuente de alimentación estable de 5V CC. - GND: La tierra de alimentación y la tierra de señal del sensor deben compartirse con el cable de tierra del sistema de control. - OUT (Vout): Pin de salida de tensión del sensor, utilizado para recoger señales de corriente.
Esquema eléctrico típico (tomando como ejemplo los microcontroladores) :
Precauciones de cableado
1). Alimentación: Asegúrese de que el sensor dispone de una fuente de alimentación estable de 5V. La calidad de la fuente de alimentación afecta directamente a la precisión de la medición. 2). Masa común: El sensor y el microcontrolador deben compartir la misma tierra para evitar errores de medición causados por diferencias de potencial de tierra. 3). Cableado: El cable de la corriente a medir debe pasarse correctamente por el orificio de medición del sensor y centrarse al máximo para garantizar el mejor efecto de medición.
5. Pasos para la adquisición de señales
La señal de salida de tensión de 2,5V±0,625V del sensor de corriente se recoge principalmente a través de un convertidor analógico-digital (ADC). A continuación se detallan los pasos a seguir: 1). Configuración del ADC:
-Seleccione el pin ADC: Conecta el pin OUT del sensor a uno de los pines de entrada ADC del microcontrolador. -Ajuste la tensión de referencia: Ajuste la tensión de referencia del ADC a 5V (si el rango de salida del sensor es de 0,25V a 4,75V), o seleccione una tensión de referencia adecuada en función de la situación real. Asegúrese de que el ADC puede cubrir todo el rango de salida del sensor. -Ajuste la resolución y la frecuencia de muestreo: Seleccione la resolución (como 10 ó 12 bits) y la frecuencia de muestreo del ADC según los requisitos de la aplicación. Una resolución más alta proporciona mediciones más precisas, y una frecuencia de muestreo más alta es adecuada para corrientes que cambian rápidamente.
2). Lea el valor del ADC:
-Los valores digitales de los pines de entrada del ADC se leen periódicamente mediante programación del microcontrolador.
3). Convertir el valor del ADC en tensión:
-Convertir el valor digital leído en el valor real de tensión Vout. Por ejemplo, para un ADC de 10 bits (0-1023) con una tensión de referencia de 5V, la fórmula de conversión es: Vout = (Valor_ADC / 1024.0) * 5.0 (unidad: V)
4). Calcular la corriente real
-Utilice la siguiente fórmula para convertir la tensión Vout en la corriente real IP: IP = (Vout - 2,5V)/SN, donde SN es la sensibilidad nominal del sensor (unidad: V/A). Por ejemplo, la SN del HAS14Z es 0,1042 V/A.
Ejemplo de cálculo Supongamos que se utiliza el sensor de corriente HAS14Z (SN = 0,1042 V/A).
-Si la tensión de salida Vout medida por el ADC es de 2,8V: IP = (2,8V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ 2,88A (corriente de avance) -Si la tensión de salida Vout medida por el ADC es de 2,2V: IP = (2,2V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ -2,88A (corriente de retroceso).
Siguiendo los pasos anteriores, podrá recoger y calcular con precisión la magnitud y la dirección de la corriente que se está midiendo.
6. Escenarios de aplicación
Los sensores de corriente de principio de bucle cerrado de la serie HAS se utilizan ampliamente en los siguientes campos debido a su capacidad de medición de corriente bidireccional y a sus características de salida de tensión:
- Control de motores: Consigue un control preciso de la velocidad y el par para vehículos eléctricos, robots industriales y otros equipos. - Sistema de gestión de la batería (BMS): supervisa el estado de carga y descarga de la batería para optimizar su salud y eficiencia. - Gestión de la alimentación: Utilizado en SAI, SMPS, inversores solares, etc., controla con precisión el flujo de energía. Sistemas de energías renovables: Monitoriza la corriente en los puntos de conexión entre los sistemas de almacenamiento de energía y la red eléctrica para optimizar la conversión de energía. - Automatización industrial: Proporciona datos de corriente en tiempo real para el control de procesos, el diagnóstico de fallos y la protección de la seguridad.
¿Cuál es la diferencia entre transformador de intensidad, transformador de tensión y transformador de control/seguridad de aislamiento?
Los transformadores de intensidad (TC), los transformadores de tensión (TT), también conocidos como transformadores de potencial (TP), y los transformadores de potencia funcionan todos ellos basándose en el principio de la inducción electromagnética, pero difieren significativamente en su diseño, finalidad y características de funcionamiento. En pocas palabras, los TC y los TT son transformadores de medida, utilizados principalmente para medir y proteger la corriente o la tensión en los sistemas de potencia, mientras que los transformadores de potencia son transformadores de potencia, utilizados principalmente para la conversión de tensión en la transmisión y distribución de energía. A continuación, los compararé desde múltiples perspectivas.
1. Definición básica y principio
Transformador de corriente (TC): Se utiliza para convertir alta tensión y alta corriente en baja tensión y baja corriente (normalmente 1A o 5A) para la medición de instrumentos o la protección de relés. Su principio de funcionamiento es que el devanado primario está conectado en serie en el circuito, y el devanado secundario emite una señal proporcional a la corriente primaria.
Transformador de tensión (TT): Se utiliza para convertir alta tensión y alta corriente en baja tensión (normalmente 100 V o 110 V) para la medición y protección de la tensión. El devanado primario está conectado en paralelo en el circuito, y la salida secundaria es proporcional a la tensión primaria.
Transformador de control/seguridad de aislamiento: Se utiliza para cambiar los niveles de tensión (por ejemplo, subir o bajar) en los sistemas de energía para lograr una transmisión y distribución eficiente de la energía. No se utiliza para medir, sino que suministra directamente energía a la carga.
2. Comparación de las principales diferencias
La siguiente tabla resume las principales diferencias entre los tres tipos de transformadores:
Transformador de corriente (TC)
Transformador de tensión (VT)
Transformador de aislamiento de control/seguridad
Aplicaciones
Medir y controlar la corriente y proteger los equipos (como los relés).
Medir y controlar la tensión y proteger los equipos.
Proporcionan aislamiento eléctrico y conversión de tensión para circuitos de control y alimentación segura (como prevención de descargas eléctricas y alimentación de equipos de baja tensión).
Modo de trabajo
Cuando el primario está conectado en serie con el circuito de carga, el secundario debe cortocircuitarse (o conectarse a una carga de baja impedancia) para evitar altas tensiones peligrosas.
Cuando el primario está conectado en paralelo, el secundario está en circuito abierto o conectado a una carga de alta impedancia (como un contador).
Los terminales primario y secundario se conectan a la fuente de alimentación y a la carga según sea necesario para la transmisión de potencia y no tienen función de medición.
Características de la relación de transformación
Relación de reducción de corriente (corriente alta → corriente baja, por ejemplo, 1000A:5A), tensión secundaria baja.
Relación de reducción de tensión (alta tensión → baja tensión, por ejemplo, 1kV:10V), alta impedancia secundaria.
Relación de reducción de tensión (por ejemplo, 220 V:24 V), con énfasis en el aislamiento y la transferencia de potencia.
Características de diseño
Menos vueltas primarias, más vueltas secundarias; alta precisión, baja saturación; pequeña capacidad (varios VA).
Similar a un pequeño transformador, alta precisión; pequeña capacidad (de varios VA a decenas de VA).
Diseño de aislamiento de doble bobinado con apantallamiento para mayor seguridad; montaje en placa de circuito impreso de baja tensión o en chasis; alta eficiencia, adecuado para cargas intermitentes o continuas; gran capacidad (de varios VA a varios kilovoltios).
Requisitos de carga
El secundario debe estar cortocircuitado o ser de baja impedancia para evitar tensiones peligrosamente altas.
El secundario puede dejarse abierto para cargas de alta impedancia (como instrumentos).
Cuando se conecta el secundario a una carga real (como un dispositivo de control), se puede dejar abierto, pero no se recomienda.
Precisión y error
Emphasizes current measurement accuracy (error <1%).
Emphasizes voltage measurement accuracy (error <0.5%).
Se hace hincapié en el aislamiento y la eficacia (>65%), no en la precisión de la medición; la regulación de la tensión es baja.
Escenario de aplicación
Medición de potencia, sistemas de protección, amperímetros.
Voltímetros, medidores de potencia, relés de protección.
Automatización industrial, controles de máquinas herramienta, equipos médicos, iluminación de seguridad, módulos de potencia PCB.
Conexión entre el transformador de corriente y el chip Atmel M90E32AS
Introducción
En los sistemas modernos de medición de energía, la medición precisa de la corriente es crucial. El M90E32AS de Atmel es un CI multifásico de medición de energía de alto rendimiento y amplio rango dinámico ampliamente utilizado en diversos contadores de energía y equipos de control de potencia. Los transformadores de corriente (TC) desempeñan un papel indispensable en la transmisión segura y precisa de señales de alta tensión y alta corriente al M90E32AS para su procesamiento. Este artículo profundizará en los principios de funcionamiento de los transformadores de corriente y en cómo conectarlos correctamente al M90E32AS para obtener una medición de corriente fiable.
Visión general del chip Atmel M90E32AS
El Atmel M90E32AS es un circuito integrado de alto rendimiento diseñado para la medición multifásica de energía. Integra seis ADC Sigma-Delta de segundo orden independientes capaces de procesar simultáneamente señales trifásicas de tensión y corriente. El procesador digital de señales (DSP) interno del chip realiza cálculos complejos a partir de los datos recogidos por los ADC para obtener parámetros energéticos clave como la potencia activa, la potencia reactiva, la potencia aparente, el factor de potencia, la frecuencia y los valores eficaces de tensión y corriente. El M90E32AS admite el muestreo de corriente a través de un transformador de corriente (TC) o una bobina Rogowski, y el muestreo de tensión a través de una red divisora de resistencias.
Canal de entrada de corriente
El chip M90E32AS proporciona tres conjuntos de pines de entrada de corriente diferencial: I1P/I1N, I2P/I2N, e I3P/I3N, correspondientes a la medida de corriente trifásica. Estos pines son los terminales de entrada de los canales analógicos ADC, lo que permite una asignación flexible de canales para adaptarse a diferentes configuraciones de sistemas trifásicos (como trifásico de cuatro hilos o trifásico de tres hilos).
ADC interno y muestreo
El ADC del chip se encarga de convertir la señal analógica de corriente en una señal digital. El M90E32AS tiene un alto rango dinámico y una gran precisión, lo que puede garantizar una medición exacta en un amplio rango de corrientes. La hoja de datos indica que el muestreo de corriente se realiza a través de un transformador de corriente (TC) o una bobina Rogowski (bobina di/dt) [1]. Esto significa que el sensor externo convierte la señal de corriente en una señal de tensión aceptable para el M90E32AS.
Tratamiento de señales y calibración
El DSP del M90E32AS no sólo calcula los parámetros de energía, sino que también admite la compensación de ganancia y ángulo de fase para corregir los errores introducidos por sensores y circuitos externos. Esto es crucial para garantizar la precisión de todo el sistema de medición. El chip también dispone de umbrales programables de arranque y potencia en vacío, así como de monitorización de señales transitorias de corriente y tensión. Estas características permiten al M90E32AS funcionar de forma estable y fiable en entornos energéticos complejos.
Principio de funcionamiento del transformador de corriente (TC)
Un transformador de corriente (TC) es un tipo especial de transformador utilizado para convertir proporcionalmente grandes corrientes en otras más pequeñas para medición, protección y control. Sus funciones principales son el aislamiento y el escalado de la corriente. El principio de funcionamiento de un TC se basa en la ley de inducción electromagnética: cuando la corriente circula por el devanado primario (normalmente el cable que atraviesa el centro del TC), genera un flujo magnético en el núcleo. Este flujo induce una fuerza electromotriz en el devanado secundario, generando una corriente secundaria.
Características principales
Ratio:
La relación de un TC es la relación entre su corriente nominal en el primario y su corriente nominal en el secundario, por ejemplo, 100A/5A o 100A/0,1A. Esto significa que cuando por el primario circulan 100A, la salida secundaria será de 5A o 0,1A. En las aplicaciones de medición de energía, los TC con una salida secundaria de miliamperios o menos suelen seleccionarse para permitir la conexión directa a la entrada de corriente de un chip de medición.
Clase de precisión:
La clase de precisión de un TC indica su error de medición dentro de su rango de corriente nominal. Por ejemplo, un TC de clase 0,2S indica un error dentro de un rango de corriente específico de ±0,2%, lo que resulta crítico para la medición de energía de alta precisión.
Carga:
La carga de un TC se refiere a la impedancia del instrumento o dispositivo de medida conectado a su lado secundario. El lado secundario de un TC debe estar siempre cerrado; de lo contrario, un circuito abierto provocaría una alta tensión en el lado secundario, lo que podría dañar el TC o suponer un peligro para el personal. Aislamiento: Los TC proporcionan aislamiento eléctrico entre el circuito de alta tensión del lado primario y el circuito de medida de baja tensión del lado secundario, mejorando así la seguridad y fiabilidad del sistema.
En la medición de energía, los TC se utilizan a menudo para medir corrientes elevadas en el circuito principal. Los TC pueden reducir la tensión y la corriente de la señal de alta corriente en el circuito principal, convirtiéndola en una señal de baja corriente o baja tensión que el chip de medición puede procesar. Esto no sólo protege el chip de medición del impacto directo de la alta tensión y corriente, sino que también hace que el diseño del sistema de medición sea más flexible y seguro.
Conexión de transformadores de corriente al chip M90E32AS
La conexión de transformadores de corriente al chip Atmel M90E32AS requiere una cuidadosa consideración del circuito de acondicionamiento de señal para asegurar la precisión de la medida y la seguridad del chip. Los pines de entrada de corriente del chip M90E32AS (I1P/I1N, I2P/I2N e I3P/I3N) son entradas diferenciales, lo que significa que miden la diferencia de tensión entre los dos pines. Por lo tanto, la salida del transformador de corriente normalmente debe convertirse en una señal de tensión a través de una resistencia de muestreo antes de introducirse en las entradas diferenciales del chip.
Circuito de conexión típico
Podemos ver cómo se conecta un transformador de corriente (TC). Normalmente, el lado secundario del TC está conectado a una resistencia en derivación de pequeño valor. Cuando la corriente fluye a través de la resistencia, se genera una caída de tensión proporcional a la corriente. Esta caída de tensión sirve como señal de entrada para el ADC del chip M90E32AS.
Tomando como ejemplo la medida de corriente monofásica, la salida secundaria del TC se conecta a la resistencia de derivación, que a su vez se conecta a los pines I_P e I_N del chip M90E32AS. Para mejorar la precisión de la medida y suprimir el ruido en modo común, se suele conectar un condensador en paralelo a la resistencia de derivación para formar una red de filtrado RC. Además, puede ser necesaria una red divisora de tensión o un circuito de polarización para proporcionar una tensión de polarización adecuada que garantice que la entrada del ADC se encuentra dentro del rango de funcionamiento del M90E32AS.
Potencial de cavitación, que provoca descargas parciales, puntos calientes y grietas por ciclos térmicos La vida útil puede reducirse entre un 40 y un 60%.
Ventajas del encapsulado al vacío:
Evacúa el aire a ≤5 mbar Inyecta resina epoxi UL94V-0 y cura en un entorno sin humedad Mejora significativamente el rendimiento del aislamiento y la estabilidad térmica.
Resultados reales y datos de las pruebas
Un transformador de dispositivo médico encapsulado al vacío superó una prueba de envejecimiento acelerado de 50.000 horas. Un dispositivo sin maceta de vacío falló tras 18.000 horas.
Capacidad para enfrentarse a entornos extremos
Estrés
Consecuencia
Moldeado al vacío Beneficio
Vibración (5-2000Hz)
Fatiga del cable
Amortigua la resonancia un 300% mejor
Choque térmico (-40~125°C)
Grietas en las soldaduras
Absorción de resina adaptada al CET
Humedad (85% HR)
Seguimiento de la corrosión
Barrera de permeabilidad cero
Recomendaciones para verificar la calidad del encapsulado
–Don’t rely solely on the datasheet, request: –X-ray scan showing void distribution –Cross-section report measuring bubble size –Thermal shock test (-55°C to +150°C, 500 cycles) –Partial discharge test <5 pC (at 2x the operating voltage)
A transformador de corriente de núcleo dividido facilita la medición de corriente sin cortar cables. El núcleo de un transformador de corriente de tipo partido puede abrirse, lo que permite pasar cables por el centro y fijarlos. Este transformador es adecuado para aplicaciones en las que no es posible cortar cables. El vídeo muestra cómo conectar y probar un transformador de corriente, controlar la corriente y la tensión de salida y utilizar un rectificador para convertir CA en CC. Los transformadores de corriente de núcleo dividido proporcionan un excelente aislamiento y facilidad de uso para la medición de potencia.
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