工业电气设备的功率不断提高以后,测量工作正在遇到一个过去并不突出的现实问题:电流越来越大,设备内部空间却越来越紧。8月19日,横河计测宣布推出CT500SA和CT200SA两款AC/DC开合式电流传感器,分别面向500A和200A等级的电流测量,计划于9月9日正式上市。两款产品的主体尺寸均为110毫米×62毫米×25毫米,采用可以直接夹到现有导线上的开合结构,不需要为了安装传感器切断或者重新穿线。对于已经完成装配的逆变器、电机驱动系统、车辆以及电源设备,这种结构解决的是一个非常具体的问题:工程师需要测量真实工作状态,却没有足够空间重新处理原来的大电流线路。
高电流测量过去长期存在两种取舍。一类穿芯式电流传感器在精度方面具有优势,但安装时必须让导线穿过传感器中心孔,如果测试对象还是独立零部件,这并不难处理;一旦电缆、母线和设备已经完成装配,拆线重新穿过传感器就会明显增加工作量。另一类开合式传感器可以直接夹在导线上,安装方便,却往往需要在精度方面作出一定让步。新能源汽车、电力电子和高效率驱动设备的发展,使这个矛盾更加明显,因为现在很多测试已经不再只发生在零部件实验阶段,而是要在设备接近完成、甚至整机运行状态下确认逆变器、电机和电源系统的实际效率。
横河此次推出的新产品,重点正是缩小这种差距。按照公布的数据,CT500SA和CT200SA在23±5℃条件下保证精度达到读数的±0.09%加满量程的0.01%,同时仍然采用开合式安装结构。CT500SA频率带宽达到500kHz,CT200SA则达到1MHz,两款产品在0.1Hz至1kHz范围内的相位精度为±0.1°。这些参数对于普通工厂配电电流检查可能显得过高,但在逆变器效率测试中却有实际意义,因为PWM驱动输出并不是简单的工频正弦波,其中包含快速开关信号和较丰富的高频成分。如果电流传感器带宽不足,或者电压、电流之间的相位测量存在偏差,最终计算出的功率和效率也会受到影响。
这种测量要求的提高,与近年来电机和驱动系统的发展直接相关。过去判断一套驱动装置是否合格,很多情况下主要确认额定功率、转速和基本运行状态,现在设备制造商需要把效率损耗进一步拆开分析。逆变器本身有开关损耗,电机存在铜耗和铁耗,线缆、连接和其他电气环节同样会产生损耗。如果整套系统效率只差零点几个百分点,在大功率设备或者长时间运行条件下,最终形成的能源差异并不小。因此,功率分析仪、电流传感器以及电压测量设备已经不再只是研发实验室用于确认波形的工具,而越来越多地参与产品设计、验证和量产测试。
开合式结构的另一个价值,是减少不同测试阶段反复拆装线路的工作。工业产品开发很少只测一次,工程师通常需要先确认电气波形,再进行功率和效率分析,还可能在不同负载、不同温度和不同控制参数下反复测量。如果每切换一次测量项目都要拆卸大电流电缆,不仅耗费时间,也容易改变原来的接线状态。CT500SA和CT200SA可以直接连接功率分析仪和波形测量设备,不需要额外更换传感器或增加转换接口,这种设计更接近实际测试现场对重复性和效率的要求。
电流传感器尺寸缩小,同样与设备结构变化有关。新能源汽车内部的逆变器、电机控制器和高压线束已经越来越紧凑,工业变频器、储能变流器以及高功率电源也在提高功率密度。设备厂希望在有限空间内获得更高输出,控制柜和产品内部可以留给测试工具的位置反而减少。过去能够轻松套入导线的大尺寸传感器,到整机测试阶段可能根本无法放入设备内部。此次两款产品针对200A和500A等级重新缩小尺寸,说明测量设备的设计已经开始跟随被测试产品一起小型化,而不是继续依靠测试人员为仪器预留额外空间。
这类变化与工控现场也有一定关联。变频器、伺服驱动、电机控制系统和工业电源在正式投入使用之前,都需要完成电流、功率、谐波和效率等不同项目的测试,部分设备出现异常以后,维修和研发人员还要重新测量实际运行波形。测试设备安装越方便,就越容易在不大幅改变原有线路的情况下获取真实数据。尤其是已经装配完成的控制柜和成套机械,如果必须停机拆线才能增加测量设备,很多现场检查就很难实施,而开合式电流测量能够明显降低这种门槛。
不过,不能因为新型开合式传感器精度提高,就认为所有工业电流检测都需要采用高带宽、高精度产品。普通配电维护、电机是否过载以及简单能耗监测,对带宽和测量精度的要求远低于逆变器研发测试,使用成本更低的电流互感器或普通钳形测量设备已经能够满足需要。真正推动这一类高性能传感器发展的,是新能源汽车、光伏逆变器、高功率电源、空调与热管理设备等需要精确分析电能转换过程的应用。不同场景需要的测量等级并不相同,选择越高的规格并不等于一定更加合理。
横河此次还把光伏、HVAC以及高功率电源设备列为主要应用方向。这些设备虽然用途不同,但都有一个共同特征,就是越来越多地采用电力电子变换技术。过去电机可能直接接入电网运行,现在大量风机、水泵和压缩机通过变频器控制;新能源发电本身也要经过逆变装置并网。电力电子设备数量增加后,工业现场需要测量的已经不只是50Hz或60Hz电流,而是包含快速开关和谐波成分的复杂波形,传统测量方法在部分研发和验证场景中已经不够用了。
从工业仪表市场来看,这是一类并不喧闹但相当实际的变化。自动化设备的性能提高并不只依赖PLC、伺服和传感器本身,研发人员首先还要能够准确知道设备到底运行在什么状态。电流、电压、功率、温度和波形这些基础数据如果测不准,后续效率优化和故障判断就缺少可靠依据。随着逆变器、电机驱动和各类功率转换设备继续向高功率密度发展,测试工具也在从“大而准”转向“在有限空间里仍然能够准确测量”。这类变化最终不会直接出现在生产线操作界面上,却会影响下一代工业电源、驱动系统和自动化设备是如何被设计和验证出来的。