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          LEM漏電流傳感器CTSR系列自檢功能淺析

          來源:金湖辛德瑞自動化設(shè)備有限公司   2019年08月29日 16:39  

          一:CTSR系列簡介

          CTSR系列是LEM 在2011年發(fā)布的一款用于漏電流檢測的傳感器,該系列傳感器基于Fluxgate原理,目前可實現(xiàn)對300ma,600ma,1A漏電流的檢測,可應(yīng)用于光伏,電力等需要漏電流檢測的行業(yè)。在進(jìn)行測量時候,將承載漏電流的接地線通過傳感器中間的圓孔,通過測量傳感器的輸出推算出漏電流值。

          由于漏電流檢測涉及到安全因素,因此不但要保證測量的性,同時也要保證器件本身是否正常?;谶@個原因,LEM在該系列產(chǎn)品上增加了器件的自我檢測的功能。目前該功能是市場上大部分同類產(chǎn)品所不具備的,本文即闡述這一功能的具體用法。

          自檢的實現(xiàn)有2個級別,簡單的自檢是對傳感器內(nèi)部ASIC的檢測,而更完善的自檢則是對整個傳感器輸出測試電流,進(jìn)而檢測漏電流傳感器精度的方式。

          二:簡單自檢功能用法

          CTSR系列的副邊共有4個管腳,分別是VCC(電源),0v(地),Ref(參考腳),Out(輸出腳)。

          自檢功能是配合使用Ref和Out兩個管腳來完成的:

          首先,需要將Ref拉低至0v到1v范圍內(nèi)的低電平并持續(xù)至少30ms,此時傳感器進(jìn)入自檢模式;

          然后,對Out管腳的輸出電平Vout進(jìn)行檢測,如果在表1所述范圍,說明傳感器正常,否則說明該傳感器已經(jīng)失效;

          表1 自檢模式下的Vout輸出范圍:

          注:Vref是參考腳Ref此時的輸入值

          將Ref管腳的低電平釋放后40us,傳感器結(jié)束自檢模式,然后進(jìn)入持續(xù)時間長約110ms的去磁模式,去磁結(jié)束之后才進(jìn)入正常測量模式。整個時序詳見下圖:

          三:簡單自檢功能的實際使用

           

          在實際應(yīng)用中,由于傳感器的Ref和Out可能會傳輸比較長的距離,因此可能引入共模干擾,為了減少共模干擾以及溫漂的影響,通常會將Ref與Out接成差分輸入的方式。本文采用了TI公司的ADS1000作為AD轉(zhuǎn)換器,該器件內(nèi)置有PGA環(huán)節(jié),可對差分輸入量放大之后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

          當(dāng)CTSR的Ref用于輸出模式時,Vout的輸出范圍可達(dá)2.5v±2v,因此如果需要得到整個測量范圍的值,需設(shè)置PGA=1。

          實現(xiàn)自檢模式時,將微控制器的IO口置為高電平,經(jīng)U3跟隨之后驅(qū)動Q1,此時Q1導(dǎo)通,由傳感器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)經(jīng)過內(nèi)部的500ohm電阻給Q1灌電流,將Ref拉低,當(dāng)這一過程持續(xù)超過30ms,傳感器開始自檢,此時將AD采集得到的數(shù)據(jù)與表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。由于U1將Ref和Out接成差分模式,因此應(yīng)該是將AD值與Vout和Vref的差值進(jìn)行對比。

          例如采用CTSR 0.3-P時,如果發(fā)現(xiàn)AD采集值在[0.7,1.7v]的范圍,則表明傳感器自檢成功,否則失敗。

          自檢結(jié)束之后,將微控制器的IO口置為低電平,此時Q1截止,Vref輸出2.5v基準(zhǔn)電壓,40us后傳感器進(jìn)入去磁模式,去磁過程將持續(xù)110ms,之后傳感器進(jìn)入測量模式。

          如CTSR 0.3-P在測量300ma時,U1的輸入差值為Vout-Vref=0.3*4=1.2v,ADS1000的理論輸出CODE為:2048*1*1.2/5=492。

          四:全面自檢功能用法

          在CTSR系列中,只有幾個特定型號的產(chǎn)品具有全面自檢功能,這些產(chǎn)品的內(nèi)部均帶有檢測線圈。截至發(fā)稿為止有下面幾個型號:

          檢測線圈在傳感器內(nèi)的補(bǔ)償線圈上繞20匝,這樣就可以模擬原邊電流進(jìn)行檢測。因此輸出與測試電流的關(guān)系為:Vout-Vref=Gth*It(測試電流)*20

          根據(jù)IEC 62109-2標(biāo)準(zhǔn)中4.4.4.15.1和4.8.3.5規(guī)定,每次光伏逆變器在重啟時,需利用漏電流傳感器的檢測線圈驗證傳感器的精度。此時可以利用恒流源給檢測線圈注入測試電流。在測試結(jié)束之后,應(yīng)該斷開測試線圈回路,以免對正常測量形成干擾。此時,由于互感原理的作用,當(dāng)原邊電流發(fā)生瞬間變化時,開路的測試線圈兩端可能會產(chǎn)生高壓,因此電路中應(yīng)該增加相關(guān)保護(hù)器件。

          下圖是這一功能的一個測試示例,由TL431(U3)構(gòu)建恒流源為線圈提供測試電流。當(dāng)U2的IO管腳置為高電平時,Q2將恒流源接通,注入測試線圈的電流為 2.5v/R2=2.5v/160=15.6mA,相當(dāng)于給原邊通入15.6*20=312mA的電流。此時通過讀取AD值與理論值312mA進(jìn)行比對,對測量精度進(jìn)行驗證。

          驗證完成之后,將U2的IO管腳置為低電平,Q2截止,測試線圈回路斷開。此時可進(jìn)行正常測量。另外在檢測線圈兩端跨接TVS管,當(dāng)原邊電流發(fā)生瞬變時,測試線圈耦合產(chǎn)生的能量通過TVS管釋放。

            關(guān)于LEM

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