4 Rogowski 코일 기반 전류 센서를 위한 ADC 신호 체인의 민감도 분석

저비용 PCB Rogowski 전류 센서를 사용하는 시스템의 주요 문제는 센서 출력의 신호 진폭이 일반적으로 매우 작다는 것입니다. 대부분의 경우 몇 마이크로볼트밖에 되지 않습니다. 계량 표준에 따른 정확도 요구 사항을 충족하도록 신호 체인을 신중하게 설계해야 합니다. 이러한 작은 신호의 신호 조절에는 내부 게인이 있는 고해상도 ADC를 선택하거나 센서와 ADC 사이에 외부 게인 단계를 계단식으로 배열하여 상당한 차동 게인을 포함해야 합니다. 외부 게인 단계를 추가하는 것은 총 비용이 증가하기 때문에 해로운 경우가 많습니다. 따라서 외부 게인 단계가 필요한 솔루션과 이를 언제 피할 수 있는지 정량화하는 것이 더 합리적입니다.

표 3은(는) 외부 게인 단계의 효과를 분석하기 위해 세 가지 Rogowski 코일을 도입합니다.

• 코일 A는 PCB Rogowski 코일 센서[11]를 사용한 고정밀 AC 전류 측정 레퍼런스 설계를 기반으로 하며 약 20μV/A의 민감도를 가진 PCB Rogowski 코일입니다.
• 코일 B는 약 100μV/A의 민감도를 가진 또 다른 독점 Rogowski 코일입니다.
• 코일 C는 시중에서 판매되는 벌크 Rogowski 코일(Pulse PA3209NL)[12]이며 약 500μV/A의 민감도를 가집니다.

그림 2에는 민감도 분석을 위한 측정 설정이 나와 있습니다. 표 3에서 볼 수 있듯이, 개별 Rogowski 코일의 출력은 4개의 점퍼로 TI INA188 기반 게인 단계[13]를 선택하거나 우회할 수 있는 신호 컨디셔닝 인터페이스 보드와 연결됩니다. 게인 정의 저항 R_G(그림 2 참조)는 390Ω이며, 선택적 외부 게인 128을 산출합니다.

계측 증폭기(INA) 인터페이스 보드의 출력은 독립형 ADC[3]를 사용한 3상 전류 변압기 전자 계량기 레퍼런스 설계의 위상 1 전류 입력에 연결됩니다. 이 레퍼런스 설계에는 전류 변압기에 연결할 때만 필요하고 이 분석에서는 물리적으로 제거된 부담 저항 R37 및 R38이 포함되어 있습니다. 전자 계량기 레퍼런스 설계의 ADC는 1~128의 내부 게인 옵션을 지원하는 고정밀 8채널 동시 샘플링 델타-시그마 ADC인 TI ADS131M08입니다.

그림 3 및 그림 4은(는) MTE의 PTS3.3C 소스 제너레이터 및 레퍼런스 계량기 사용하여 100mA~10A의 50Hz 라인 전류에 대해 측정된 전류 정확도를 보여줍니다. [3]과(와) 동일한 테스트 절차를 사용하여 전류 및 에너지 샘플은 20ms 동안 평균을 계산했습니다. [11]에 설명된 절차에 따라 디지털 도메인에서 Rogowoski 신호 통합을 구현합니다. 이에 대한 대안은 [14]에 제시된 아날로그 능동 통합이지만, 이 두 방법이 일반적으로 유사한 결과를 나타내므로 이 기법은 분석에서 무시되었습니다.

민감도가 매우 낮은 PCB 코일의 경우(예: 20μV/A), INA 단계를 계단식으로 배열하여 128의 외부 게인을 사용할 경우 상당한 개선이 이루어집니다(그림 3 참조). ADS131M08의 내부 PGA 게인(128의 게인 경우에도)만으로는 앞서 설명한 것처럼 작은 입력 신호를 양자화 잡음 수준보다 높게 증가시킬 수 없습니다.

100μV/A 이상의 민감도로 PCB 코일을 사용하는 경우(그림 4 참조) 내부 게인 또는 외부 게인 중 어떤 것을 선택하더라도 유사한 오차가 나타나며, 이는 센서 출력 진폭이 이제 관련 위상 전류 범위의 양자화 잡음 수준보다 훨씬 더 높다는 의미입니다. 결과 오차의 절대값은 0.5% 이하의 정확도를 목표로 하는 일부 수익 등급 에너지 계량 시스템에서 허용 가능한 값보다 높습니다. 이렇게 증가된 오차는 단일 지점(게인) 보정인 이 설정에 적용된 간단한 보정 절차의 결과입니다. 일반적인 계량 설계에서 최대 3개의 보정 단계(오프셋 보정, 게인 보정 및 위상 보정)를 적용하면 절대 오차를 더 줄일 수 있습니다.

그림 5 및 그림 6은(는) 표 3에 나열된 세 가지 코일에 대한 Rogowski 코일 민감도의 측정 오차의 종속성을 보여줍니다.

작은 위상 전류(200mA, 그림 5) 및 중간 레벨 위상 전류(5A, 그림 6)의 경우 모두 20μV/A Rogowski 코일은 외부 게인 단계를 채택하여 상당한 개선(오차 감소)을 달성합니다. 예상대로 더 큰 라인-전류 값(5A, 그림 6)을 감지하면 모든 오차가 더 작은 값으로 조정됩니다. 100μV/A 및 500μV/A Rogowski 코일의 경우 내부 ADC 게인을 사용할 때와 128의 외부 게인을 적용할 때를 비교하면 비슷한 정확도가 나옵니다.