Pomiar prądu w obwodach z przetwornicami i falownikami stanowi jedno z kluczowych zagadnień w nowoczesnej elektronice mocy, wymagające zarówno precyzyjnych przyrządów, jak i odpowiedniej metodyki.
Podstawy pomiaru prądu i typy amperomierzy
Do pomiaru prądu wykorzystywane są różnorodne przyrządy, których dobór zależy od warunków pracy i pożądanej dokładności. Klasyczne rozwiązania obejmują:
- Amperomierze analogowe – oparte na cewce stałoprądowej, czułe na pole magnetyczne.
- Multimetry cyfrowe – z pomiarem napięciowym na rezystorze wzorcowym.
- Przekładniki prądowe (CT) – do wysokich natężeń, często stosowane w instalacjach przemysłowych.
- Cęgi prądowe – mierzą pole magnetyczne otaczające przewodnik, bez konieczności przerywania obwodu.
Dla obwodów z przetwornicami i falownikami istotne są czynniki takie jak szerokie pasmo częstotliwości, składowe wyższych harmonicznych oraz szumy impulsowe. W tak wymagających aplikacjach standardowe przyrządy mogą okazać się niewystarczające.
Zaawansowane czujniki i technologie
Czujniki efektu Halla
Czujniki te działają na zasadzie pomiaru pola magnetycznego generowanego przez przepływający prąd. W obwodach z przetwornicami i falownikami zapewniają:
- Izolację galwaniczną między obwodem mierzącym a układem pomiarowym.
- Pasmo częstotliwości wystarczające do analizy sygnałów impulsowych.
- Brak konieczności wprowadzania elementów o wysokiej rezystancji w obwód roboczy.
Rogowskiego zwoje
Elastyczne cewki Rogowskiego charakteryzują się:
- Brakiem nasycenia magnetycznego, co umożliwia pomiar bardzo dużych prądów przemiennych.
- Szerokim pasmem od kilkuset Hz do setek kHz.
- Potrzebą dodatkowego integratora napięcia w celu odtworzenia wartości prądu.
Takie rozwiązanie sprawdza się w przypadku falowników o szybkich przełączeniach tranzystorów, gdzie wymagane jest odwzorowanie kształtu przebiegu prądu z dużą wiernością.
Metody pomiarowe w obwodach z przetwornicami
W praktyce pomiar w układach konwertujących napięcie wiąże się z wieloma wyzwaniami:
- Obecność impulsów o stromych krawędziach (dV/dt, dI/dt).
- Zaburzenia EMI generowane przez tranzystory mocy.
- Potrzeba eliminacji składowej stałej lub wyższych harmonicznych w przebiegu prądu.
Metoda szeregowa z rezystorem pomiarowym
Jedna z najprostszych technik polega na włączeniu precyzyjnego rezystora wzorcowego w szereg z obciążeniem i pomiarze napięcia na nim. Zalety:
- Wysoka dokładność w niskim paśmie częstotliwości.
- Niska cena i prostota implementacji.
Wady:
- Straty mocy proporcjonalne do kwadratu prądu.
- Ograniczone pasmo w układach o szybkich zmianach prądu.
- Brak izolacji galwanicznej.
Pomiar za pomocą transformatora prądowego
Przekładniki prądowe zapewniają galvaniczną separację i możliwość pomiaru dużych prądów przemiennych. Stosuje się je głównie w instalacjach sieciowych, ale zyskują popularność w systemach z falownikami o niskim poziomie zakłóceń. Transformator prądowy wykorzystuje zasadę indukcji elektromagnetycznej, co wymaga dbałości o liniowość rdzenia i kompensację przesunięcia fazowego.
Czynniki wpływające na dokładność pomiaru
W praktyce pomiarowej należy uwzględnić wiele czynników, które mogą zaburzać wynik:
- Temperatura otoczenia i dryft elementów pomiarowych.
- Zniekształcenia przebiegu prądu (składowe harmoniczne wyższych rzędów).
- Zakłócenia elektromagnetyczne oraz indukowane prądy wirowe.
- Zachowanie się czujnika w stanie nasycenia magnetycznego (dotyczy tradycyjnych CT).
Cęgi prądowe oparte na efekcie Hall’a czy zwoju Rogowskiego powinny być odpowiednio ekranowane i kalibrowane, aby zapewnić powtarzalne wyniki.
Implementacja i praktyczne wskazówki
Podczas projektowania układu pomiarowego należy pamiętać o:
- Optymalnej lokalizacji czujnika – minimalizującej wpływ przewodów sygnałowych na pole magnetyczne.
- Odpowiednim prowadzeniu przewodów sygnałowych – z dala od przewodów wysokoprądowych.
- Zastosowaniu filtrów antyaliasingowych – w celu eliminacji szumów powyżej pasma pomiarowego.
- Regularnej kalibracji przyrządów – zwłaszcza w aplikacjach przemysłowych, gdzie wymagana jest wysoka powtarzalność wyników.
W instalacjach z falownikami należy uwzględnić tryby pracy obciążenia pojemnościowego i indukcyjnego, które mogą generować przesunięcia fazowe i powodować trudności w interpretacji pomiarów.
Bezpieczeństwo i ochrona
Podczas pracy z prądami przemiennymi o dużym natężeniu kluczowe jest zapewnienie:
- Ochrony przed porażeniem – izolacja galwaniczna i odpowiednie osłony.
- Odpowiedniego doboru bezpieczników i wyłączników nadprądowych.
- Zapewnienie szczelności ekranów EMI – w celu ochrony przed szkodliwym promieniowaniem elektromagnetycznym.
Stosowanie cęgów prądowych z certyfikatem bezpieczeństwa oraz spełnianie norm EMC to podstawa wiarygodnego pomiaru w wymagających warunkach przemysłowych.
