Thiết kế phép đo dòng điện bằng điện trở shunt luôn chính xác

Điện trở shunt dòng điện chuyển dòng điện trong mạch thành một điện áp nhỏ mà thiết bị có thể đo được. Nguyên lý là định luật Ohm: dòng điện đi qua một điện trở đã biết sẽ tạo ra độ sụt điện áp tỷ lệ thuận. Thách thức trong thiết kế là chọn điện trở đủ lớn để dễ đo, nhưng đủ nhỏ để tránh tổn hao, phát nhiệt và gây ảnh hưởng quá mức đến tải.

Bắt đầu từ yêu cầu đo lường

Xác định dòng điện tối thiểu, bình thường và tối đa trước khi chọn phần cứng. Đồng thời xác định dòng điện là DC, AC hay dạng sóng chuyển mạch; hướng dòng điện có quan trọng hay không; băng thông yêu cầu; và tổng sai số có thể chấp nhận. Điện trở shunt chỉ được chọn theo dòng điện danh định có thể quá nhiệt trong quá trình khởi động, phanh hoặc khi xảy ra sự cố.

Quyết định cách sử dụng kết quả đo. Giám sát năng lượng có thể chấp nhận phản hồi chậm hơn điều khiển động cơ. Hệ thống bảo vệ cần thời gian phát hiện và dải sự cố xác định. Thiết bị kiểm tra có thể cần đo hai chiều và cách ly với mạch đang được kiểm tra.

Chọn điện trở dựa trên tín hiệu và tổn hao

Điện áp trên điện trở shunt tuân theo V = I × R. Điện trở lớn hơn tạo ra tín hiệu lớn hơn và cải thiện khả năng phân biệt với điện áp lệch và nhiễu của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, nó cũng làm tăng điện áp tải và tổn hao công suất. Công suất tiêu tán tuân theo P = I² × R, vì vậy nhiệt tăng nhanh theo dòng điện.

Tính độ sụt điện áp và công suất tiêu tán tại dòng điện liên tục tối đa được phép trong điều kiện bất lợi nhất. Sau đó đánh giá thời gian quá tải và khả năng phục hồi nhiệt. Xác nhận định mức liên tục, khả năng chịu xung, hệ số nhiệt và điều kiện lắp đặt của điện trở dựa trên bảng dữ liệu. Không nên cho rằng chỉ riêng ký hiệu công suất lớn đã xác định độ chính xác đo lường.

Chọn vị trí mắc phía cao hay phía thấp

Điện trở shunt phía thấp nằm giữa tải và đường hồi về hệ thống. Cách bố trí này có thể đơn giản hóa các yêu cầu về điện áp chế độ chung của bộ khuếch đại, nhưng điện áp bổ sung làm thay đổi mức tham chiếu của tải so với mass. Điều đó có thể gây nhiễu cho các tín hiệu kết nối khác hoặc che khuất một số đường sự cố chạm mass.

Điện trở shunt phía cao nằm giữa nguồn cấp và tải. Nó giữ nguyên mức tham chiếu mass của tải và có thể phát hiện dòng điện chạy vào tải bị ngắn mạch. Mạch đo phải chịu được điện áp chế độ chung của thanh cái. Hướng dẫn của Texas Instruments về đo dòng điện phía cao nhấn mạnh việc chọn bộ khuếch đại có dải đầu vào và khả năng bảo vệ phù hợp với thanh cái đó.

Đối với phép đo dòng điện pha của bộ nghịch lưu, điện áp chế độ chung chuyển mạch và các quá độ nhanh khiến việc bố trí trở nên khắt khe hơn. Hãy sử dụng linh kiện và mạch in được thiết kế cho cấu trúc liên kết này. Không sao chép mạch thử nghiệm điện áp thấp sang bộ truyền động công suất cao.

Sử dụng kết nối Kelvin

Điện trở của dây dẫn và đồng có thể tương đương với điện trở shunt giá trị thấp. Phương pháp đo bốn dây, hay đo Kelvin, tách đường dẫn dòng điện khỏi đường dẫn cảm nhận điện áp. Đi dây cảm nhận trực tiếp từ các điểm cảm nhận được chỉ định đến đầu vào vi sai. Giữ chúng đi sát thành một cặp và cách xa các nút chuyển mạch.

Không lấy điện áp cảm nhận từ các điểm tùy ý dọc theo thanh cái hoặc đường mạch công suất. Khi đó, điện trở tiếp xúc, mối hàn và sự phân bố dòng điện có thể trở thành một phần của phép đo. Sai số tạo ra có thể thay đổi theo nhiệt độ, lực siết hoặc quá trình lão hóa.

Lập ngân sách sai số

Hãy tính đến sai số dung sai của điện trở shunt, hệ số nhiệt, hiện tượng tự phát nhiệt, điện áp lệch của bộ khuếch đại, sai số độ lợi, ảnh hưởng của dòng điện phân cực đầu vào, sai số điện áp tham chiếu, độ phân giải ADC và nhiễu. Ở dòng điện thấp, điện áp lệch thường chi phối. Ở dòng điện cao, nhiệt của điện trở shunt và sai số độ lợi có thể chi phối. Giới hạn băng thông có thể làm méo các xung ngắn ngay cả khi số đọc ổn định vẫn chính xác.

Ước tính độ tăng nhiệt của điện trở shunt trong điều kiện luồng không khí và vỏ thiết bị điển hình. Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, và các nguồn nhiệt lân cận có thể làm dịch mức nền trước khi có dòng điện chạy qua. Khi độ chính xác quan trọng trên dải rộng, hiệu chuẩn tại một điểm có thể là chưa đủ.

Bảo vệ chuỗi đo lường

Điện trở shunt và bộ khuếch đại có thể phải chịu điện áp bất thường trong quá trình đấu dây sai, khi xảy ra sự kiện cảm ứng và sự cố. Áp dụng bộ lọc và bảo vệ đầu vào theo khuyến nghị dành cho bộ khuếch đại đã chọn mà không làm giảm thời gian đáp ứng cần thiết. Kiểm tra cả định mức điện áp lẫn định mức công suất của điện trở.

Có thể cần cách ly khi mạch được đo có mức nguy hiểm, bị treo ở điện thế rất xa mass của bộ điều khiển hoặc nằm bên trong bộ biến đổi công suất. Chiến lược cách ly phải bao quát tín hiệu, nguồn, khoảng cách rò, khoảng cách phóng điện và năng lượng sự cố. Chỉ riêng đầu vào vi sai không tạo thành một hàng rào cách ly an toàn.

Đưa vào vận hành bằng các thử nghiệm có kiểm soát

Kiểm tra cực tính, đường đi Kelvin, khoảng cách an toàn và cách lắp điện trở shunt trước khi cấp điện. Khi có thể, hãy bắt đầu với nguồn điện có giới hạn dòng. So sánh kênh đo qua điện trở shunt với thiết bị tham chiếu phù hợp tại dòng điện bằng không, thấp, bình thường và cao. Kiểm tra cả hai hướng đối với hệ thống đo hai chiều.

Để cụm thiết bị đạt cân bằng nhiệt rồi lặp lại phép đo. Một kênh chính xác khi còn lạnh có thể bị trôi sau vài phút. Ghi lại nhiệt độ môi trường, nhiệt độ điện trở shunt, thiết bị tham chiếu và độ không đảm bảo đo. Xác nhận rằng độ sụt điện áp không đẩy tải ra ngoài phạm vi vận hành.

Chẩn đoán số đọc sai một cách có hệ thống

Sai số cố định khi dòng điện bằng không cho thấy điện áp lệch, dòng phân cực, dịch mức mass hoặc lỗi hiệu chuẩn. Sai số tỷ lệ với dòng điện cho thấy sai số điện trở hoặc độ lợi. Độ trôi theo thời gian cho thấy hiện tượng phát nhiệt. Nhiễu đồng bộ với các điểm chuyển mạch PWM cho thấy ghép chế độ chung, vấn đề bố trí mạch hoặc băng thông. Bước nhảy đột ngột sau bảo trì có thể cho thấy mối nối công suất bị lỏng hoặc kết nối cảm nhận bị hỏng.

Đo trực tiếp giữa các điểm Kelvin thực tế và so sánh điện áp đó với kết quả đã số hóa. Cách này giúp tách các vấn đề của điện trở shunt và đường dẫn công suất khỏi các vấn đề của bộ khuếch đại, ADC và phép tỷ lệ trong phần mềm. Tránh dùng một hệ số phần mềm không được giải thích để sửa lỗi phần cứng.

Ghi chép phép đo như một vòng đo lường hoàn chỉnh

Ghi lại giá trị điện trở shunt, dung sai, đặc tính nhiệt, dải dòng điện, độ lợi bộ khuếch đại, phương trình tỷ lệ, cài đặt bộ lọc và kết quả hiệu chuẩn. Xác định chu kỳ kiểm tra đối với các mối nối bắt bu lông chịu dòng điện cao. Khi thay điện trở shunt, phải đáp ứng cả yêu cầu điện và cơ khí.

Có thể xem thêm phần cứng đo lường liên quan trong các bộ sưu tập Bộ truyền tín hiệu quy trình và Hệ thống DCS & Điều khiển. Để xem các phương trình thiết kế và sự đánh đổi khi bố trí, tham khảo tài liệu ứng dụng về đo dòng điện phía cao của Texas Instruments. Một kênh đo qua điện trở shunt tốt là cả một chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh, không chỉ đơn giản là thêm một điện trở vào dây dẫn.