电流传感器是如何工作的？

如今，準確測量電流是確保系統效率、安全性和可靠性的基本基石。無論是在電氣工程、工業自動化、可再生能源或許多其他領域，電流量測無處不在。感測和測量電流的工具有很多，在今天的博文中，我們將進一步了解電流感測器。

確切的工作原理取決於所使用的電流轉換器類型。然而，最常見的類型是電感式電流互感器，它主要用於轉換交流電。總體而言，其工作原理與傳統變壓器非常相似（圖 1：左側示意圖）。以下步驟將介紹電感式電流互感器的工作原理（圖 1：右示意圖）：

1. 1. 一種磁性良好的導電材料連接兩個電路，即一次電路和二次電路。這種材料通常是鐵磁陶瓷，也就是所謂的鐵氧體。一次電路和二次電路會螺旋式地繞在鐵氧體上。不過，也有一些設計中，一次電路只包含一條穿過鐵氧體中心的電纜。
   2. 要測量的交流電流會在原電路中流動，但對於安培表來說電流太高。根據安培理則，此交流電會產生磁場，磁場與交流電一樣，會不斷改變其極性。
   3. 由於鐵氧體是磁導體，因此提到的磁場會被束縛在鐵氧體中。因此它也存在於二次電路中。根據另一個物理定律 – 感應定律，這個不斷變化的磁場會在二次電路中產生電流。在電流感應器的情況下，此二次電流小於一次電流。

圖 1：傳統變壓器 (左) 和電流感應器 (右) 的示意圖。

如果更仔細地研究基本的物理方程式，就有可能確定轉換比率。

轉換比表示電流轉換器減少了多少電流，與一次和二次電路的繞組數 (N) (N_primary/N_secondary) 相對應。

注意：實現電流轉換器還有更多可能性。例如，眾所皆知的結構是以霍爾探針或 Rogowski 線圈為基礎。

雖然「電流變壓器」和「電流變壓器」這兩個名詞經常交替使用，但理論上卻有一些微妙的差異。變壓器的主要功能是將電流改變為不同的電平，視應用而定，可以升級或降級。典型的變壓器結構示意圖如圖 1 左側所示。另一方面，變換器主要用於測量電流。它可以將電流轉換成可以簡單記錄的格式，通常是電壓信號。圖 1 右側顯示了一個變換器的範例。

真實的電流傳感器和任何實體裝置一樣，都會有不完美的地方。您應該牢記的兩個最重要的誤差變數是

1. 轉換錯誤：

由於理論理想化過程中固有的各種因素，實際轉換率可能會偏離理想轉換率。這些因素包括一些假設，例如具有無限磁導率的線性磁路以及繞組中可忽略的電阻。此外，材料的不規則也會造成偏差。

轉換誤差通常以測量值的百分比來表示。圖 2 左圖顯示交流信號在不同頻率範圍內的轉換誤差。綠線和藍線代表不同的裝置。

範例：使用 CT 100 以 30 kHz 測量 20 安培交流信號時，轉換誤差為 0.5000%。因此，最終結果將調整為 19.9 安培，以計入此誤差。

2. 角度誤差：

一次電流和二次電流之間的相位也會出現偏差。主要原因是裝置內的電子運行時間。角度誤差 (也稱為角度精確度或相位誤差) 表示此相位的差異，單位為度。圖 2 中的右圖顯示了沿著頻率範圍以度為單位的角度誤差。綠線和藍線表示不同的裝置。

注意：角度誤差在有功功率計算中尤其重要。為了確保精確的結果，相位角誤差的補償是必要的。

圖 2：SIGNALTEC CT 100 和 CT 1000 的轉換誤差 (左) 和角度誤差 (右)。

在現實世界中，經常需要準確測量元件或電源線纜內的電流。標準的電流表通常有其限制，無法量測超過幾十安培的電流。儘管這對許多應用來說已經足夠，但很容易想像到電流會高得多的情況：

• 電動馬達 (約 150 A)
• 鐵路架空電纜（約 1000 A）
• 發電廠中的發電機電流（幾 kA）

對於這些高電流需求，可使用電流轉換器，將高輸入電流轉換為較小但成正比的輸出電流。例如，1000 A 的輸入電流可以轉換成較易處理的 2 A 輸出電流。轉換是基於比例係數或轉換比率，計算方式是輸入電流除以輸出電流。在本例中，比例係數為 500。

除了測量應用之外，電流互感器還具有其他各種功能。它們用於控制技術和保護系統中，在這些系統中，減小的電流會傳導至殘餘電流裝置 (RCD) 或並非為大電流而設計的控制裝置。