KR100724101B1 - 공심코어를 사용한 교류전류 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류전류 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자식 전력량계에 있어서, 정밀하게 전류를 측정할 수 있는 공심코어를 사용한 교류전류 센서에 관한 것이다. 이를 위해, 피측정 교류전류가 흐르고, 나선형태를 이루는 1차코일(10); 1차코일(10)의 나선 외곽을 감싸도록 위치하며, 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및 2차코일(30)에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서가 제공된다.
공심코어, 전류, 센서, 1차코일, 2차코일, 적분, 교류전류

Description

공심코어를 사용한 교류전류 센서{AC current sensor using air core}
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 공심코어를 사용한 교류전류 센서의 개략적인 구성도,
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 공심코어를 사용한 교류전류 센서의 개략적인 구성도,
도 2c는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 공심코어를 사용한 교류전류 센서의 개략적인 구성도,
도 3a는 도 2a에 도시된 제 1 실시예의 개략적인 회로도,
도 3b는 도 2b에 도시된 제 2 실시예의 개략적인 회로도,
도 3c는 도 2c에 도시된 제 3 실시예의 개략적인 회로도,
도 4는 도 2a의 모델에 대하여 FEM 해석을 수행한 결과의 도식적 그림,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 이론적 해석에 의하여 1차코일의 전류 위상과 크기에 따른 반경방향 자속밀도를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 대한 이론적 해석과 실험적 결과를 대비하여 작성한 그래프,
도 7은 본 발명에 대한 이론적 해석과 실험적 결과에 대한 비선형 오차를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10a : 제 2 나선,
10b : 제 1 나선,
10 : 1차 코일,
30 : 2차 코일,
35 : 알루미늄 차폐층,
37 : 플라스틱 케이스,
50 : 적분회로.
본 발명은 교류전류 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자식 전력량계에 있어서, 정밀하게 전류를 측정할 수 있는 공심코어를 사용한 교류전류 센서에 관한 것이다.
전류 측정센서는 기본적으로 자성체 코어와 코일 혹은 자기 센서들로 구성되어 있다. 교류전류를 측정하기 위하여 자성체 코어에 코일을 감아 코일에 유기되는 기전력을 측정하는 트랜스포머 방법과 자성체 코어와 홀 소자와 같은 자기센서를 결합하여 측정하는 방법이 일반적이다. 홀 소자를 이용할 경우 온도 특성이 나쁘며 저 전류 측정에는 선형도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 근래에는 자기저항(MR)이나 거대자기 임피던스(GMI)를 이용하여 저전류를 측정하는 측정 소자로 상용화하 려는 연구가 계속되고 있다.
전류측정 센서로 이용하고 있는 자기센서들은 강한 바이어스 자기장이 필요하며, 우수한 측정 감도에 비해 측정 범위가 좁고 바이어스 전류 주파수를 수백 kHz 에서 수 MHz 까지 공급해야 한다. 높은 주파수의 공급은 신호처리회로 구성을 복잡하게 하고, 신호의 정밀 측정을 위한 저자소자들의 선택을 어렵게 한다. 자성체 코어와 코일 혹은 자기센서들은 주파수가 낮은 측정 전류와 주파수가 높은 측정 전류에 따라 사용재질이 다르며 바이어스 전류 주파수도 다르게 공급해야 한다. 뿐만 아니라 코어와 자기센서를 사용함으로써 생기는 경제적인 부담과 이들 스스로가 가지고 있는 제한영역 때문에 이러한 방식의 전류측정센서 대신 다른 방식의 저가 센서를 요구하고 있다.
국내에서 상용되고 있는 전류측정 센서는 거의 대부분 CT(Current Transformer)로서 CT 에 사용되는 자성체 코어의 철심은 자기포화와 측정범위 대 크기의 한계로 인하여 규정 오차 범위내에서 측정할 수 있는 전류 범위는 극히 제한되어 있다. 또 명목전류의 수십 ~ 수백 배에 이르는 사고전류를 정확히 검출하기는 불가능하고, 현재의 전력기기는 전력전자와 펄스파워 기술의 발달로 수 Hz에서 수백 kHz에 이르는 주파수 범위를 갖는 전류를 사용하는 예가 많으나 CT는 상용주파수 전류 이외에 주파수 전류를 측정하는 데는 한계가 있다. 이러한 문제들로 인하여 현재 외국에서는 로고스키 코일이 많이 사용되고 있다.
도 1은 로고스키 코일에 의하여 전류를 측정하는 원리를 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, N턴이 감긴 1차측 코일과 n 턴이 감긴 2차측 트로이 덜 형태의 일반 CT는 2차측으로부터 1차측 전류에 비례하는 출력을 얻는다. 1차측 전류에 의하여 발생되는 교류자속은 전류 변화율에 비례하여 코일에 전압을 유기시킨다. 유기된 전압(e)은 [수학식 1]과 같다.
Figure 112005061560018-pat00001
여기서, M은 [수학식 2]와 같고, 코일의 상호 인덕턴스를 나타낸다.
Figure 112005061560018-pat00002
또, A는 코일이 감긴 포머의 단면적을 나타내고, Lc는 자속의 경로를 나타낸다. 그리고, di/dt는 전류 변화율을 나타낸다. 만약 코어가 공심, 즉 공기라면 vr = 1 이 되고, 로고스키 코일이라 부르는 형태의 식으로 표현된다. 따라서, 로고스키 코일(30)은 전류가 흐르는 도체(10) 주위에 트로이덜 형태의 공심코어에 코일을 감은 것으로 트랜스포머에 사용되는 자성체 코어가 없는 형태를 말한다. 도 1에 로고스키 코일에 의하여 전류를 측정하는 원리를 나타내었다. 1차 교류전류를 감지한 공심코어 센서는 전류의 변화율에 비례하여 코일에 2차전류를 발생시키며 입력주파수에 90도의 위상차를 지니고 있어서 적분기를 사용하여 위상차를 보상하게 된다. 로고스키 코일의 출력(I)은 전자회로로 구성된 적분기를 통하면 전류 변화율에 대 한 완전한 전압이 얻어진다. 따라서 원리적으로 입력 전류의 주파수에 무관한 값을 얻을 수 있다. [수학식 1]로부터 전자적분기의 출력(Vout)은 [수학식 3]과 같다.
Figure 112005061560018-pat00003
여기서 T = RC 로 나타내는 적분기의 시정수를 의미한다.
로고스키 코일은 인버터용접기, 기중차단기, 가스절연차단기, 모터컨트롤 모니터링, 원격용접기, 전기모터, 발전기의 전류계측, 전자식 전력량계 등에 많이 활용되며 특히 전력 변환기와 전자식 전력량계의 전류 측정 센서로 활용 가능성이 매우 높다. 그러나 종래의 로고스키 코일은 저전류부분에서 선형도가 악화되는 문제점을 가지고 있다. 그리고, 원형으로 감겨진 코일 중간으로 측정 전류가 흐를 경우 고유의 출력값에 대한 선형도를 유지할 수 있으나 측정 전류가 흐르는 도체의 위치가 다를 경우 선형도는 떨어지는 단점을 지닌다. 또 측정전류가 작은 경우 선형도가 떨어지는 형태를 가지고 있다.
한편, 정확한 전류의 양을 특정하는 문제는 가정이나 공장이나 경제적인 문제와 바로 직결이 된다. 사용 전류에 따른 전력의 양을 정확히 검침하는 전력량계는 전류센서의 성능에 좌우된다.
IEC에서 요구하는 가정용 전력량계의 정밀도는 ±2 % 이고 전자식 전력량계나 전력 변환기(Power transducer)는 ±1 % 수준이며 이 정밀도 범위에서 전류측정 용 센서의 측정 전류 범위는 0.5 A ~ 40 A 로 정하고 있다.
따라서, 로고스키 코일이 저전류부분에서 비선형을 나타내느 현상을 극복하면서도 IEC에서 요구하는 정밀도 수준을 만족할 수 있는 교류전류 센서의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 공심코어 원리를 사용하여 일반 변류기의 자기포화와 비선형 오차의 한계 영향이 적은 공심코어를 사용한 교류전류 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 일반적인 로고스키 코일 방식의 저전류부분에서 선형도가 악화되는 문제를 해결한 공심코어를 사용한 교류전류 센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 피측정 교류전류가 흐르고, 나선형태를 이루는 1차코일(10);
1차코일(10)의 나선 외곽을 감싸도록 위치하며, 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
2차코일에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 2차코일(30)은 환형인 플라스틱 케이스(37)내에 수용되는 것이 바람직하다.
아울러, 2차코일(30)은 코일과 코일사이의 절연성을 높이기 위하여 우레탄 코팅된 코일을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
뿐만 아니라, 플라스틱 케이스(37)는 외부 차폐를 위해 외측 또는 내측에 알루미늄 차폐층(35)을 더 구비한 것이 가능하다.
또한, 1차코일(10)은 2번 감은 구리선이고, 2차코일(30)은 2,000번 감은 구리선인 것이 바람직하며, 2차코일(30)의 외경은 30 ~ 50 mm 인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 본 발명의 또 다른 관점으로서, 피측정 교류전류가 흐르고, 나선형태를 이루는 1차코일(10);
1차코일(10)의 나선 내측에 위치하며, 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
2차코일에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 역시 또 다른 관점으로서, 피측정 교류전류가 흐르고, 제 1 나선 형태 및 제 1 나선의 외곽에 위치하는 제 2 나선으로 이루어지고, 제 1, 2 나선이 직렬로 연결된 1차코일(10);
1차코일(10)의 제 1 나선과 제 2 나선 사이에 위치하며, 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
2차코일에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.
이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2a, 2b, 2c는 본 발명의 제 1, 2, 3 실시예에 따라 공심코어를 사용한 교류전류 센서의 개략적인 구성도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 피측정 전류가 흐르는 도체는 원형으로 감겨진 코일의 안쪽에 고정되어 있어 도체의 위치에 대한 문제 뿐만 아니라 작은 측정 전류에 대한 선형도 악화 문제가 해결되는 장점을 가지고 있다. 또 감도를 크게 할 경우 1차측 코일의 수를 증가시켜 감으면 된다. 도 2b는 1차 전류를 2차 코일이 감긴 외부에 설치한 것으로 제작이 간단하다는 장점을 가지고 있다. 도 2c의 경우는 도 2a와 도 2b를 혼합한 것으로 2차측에 출력되는 전압이 다른 것들에 비해 크게 발생하며 감도가 우수하다.
도 3a는 도 2a에 도시된 제 1 실시예의 개략적인 회로도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 1차코일(10)은 피측정 전류를 감지하기 위한 코일로 2차코일(30)의 안쪽에 설치되어 있으며 전류가 공급되는 방향은 2차코일(30)에 발생되는 2차전류와 동일한 방향으로 감겨 있다. 1차 코일(10)의 두께는 최대 50 A를 흘릴 수 있는 크기로 하고 구리를 사용하였다. 1차코일(10)의 입력선(Input Current +, Input Current -)들은 플라스틱 케이스(37)에 각각 수직되게 설치하여 측정전류를 공급한다. 2차코일(30)을 감는 포머는 플라스틱으로 그림과 같이 원형으로 케이스(37)를 만들고 그 속에 코일을 감는다. 코일과 코일 사이는 전기적 절연이 높은 우레탄 코 팅이 된 코일을 사용한다. 그리고 외부에서의 전자기적 영향을 최소화하기 위하여 알루미늄 테이프를 이용하여 자기차폐층(35)을 형성한다. 2차코일(30)은 전자증폭기를 사용한 액티브 적분기(50)에 연결하여 출력(Vout)을 얻는다.
도 3b는 도 2b에 도시된 제 2 실시예의 개략적인 회로도이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 1차코일(10)이 2차코일(30)의 반경방향 외곽에 위치한다. 그리고 도 3c는 도 2c에 도시된 제 3 실시예의 개략적인 회로도이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 2차코일(30)의 안쪽과 바깥쪽에 제 1 나선(10b) 형태와 제 2 나선(10a) 형태가 구비되며, 제 1, 2 나선(10b, 10a)이 직렬로 연결되어 1차코일(10)을 형성한다.
이하에서는 도 3a에 도시된 제 1 실시예를 모델로 하여 FEM 해석한 결과에 대해 설명하고자 한다. 도 4는 도 2a의 모델에 대하여 FEM 해석을 수행한 결과의 도식적 결과이다. 도 4에 도시된 "화살표"는 1차코일(10)의 전류에 의하여 2차코일(30)의 내부에 존재하는 자속밀도의 크기를 의미한다. 해석툴은 Maxwell 3D를 이용하였다. 입력전류의 크기는 0.5, 5, 50 A로 하였으나, 실제 센서는 60 Hz에서 특성 측정이 이루어졌다.
해석을 위하여 센서의 1차코일(10)측에 2바퀴의 구리선을 사용하였으며, 권선저항을 0.001 Ω이라 가정하였다. 2차코일(30)측에는 구리선을 2,000 바퀴 감았으며, 권선저항은 10 Ω이라 가정하였다. 센서의 외경은 32 mm, 두께는 10 mm 로 하였다. 해석 과정에서 알루미늄 차폐에 대한 요소는 고려하지 않았다. 1차코일(10)과 2차코일(30)들이 감긴 부분의 치수는 실측치를 사용하였으며 코일과 코일 사이의 공간은 무시하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 이론적 해석에 의하여 1차코일의 전류 위상과 크기에 따른 반경방향 자속밀도를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 센서의 1차코일(10) 두께의 중심에서 5.5 mm 까지 전류의 크기와 위상의 변화에 대해 동일한 자속 분포를 가지고 있음을 알 수 있다. 다만, 1차코일(10) 전류의 크기에 따라 자속은 증가하는 것을 알 수 있다.
센서의 1차코일(10)에 전류와 주파수를 인가한 경우 2차코일(30)에 발생되는 전류값을 전압으로 환산하여 표 1에 나타내었다.
60 Hz 제 1 실시예(도 3a)
입력전류(A) 이론값(mV) 실제값(mV)
0.5 0.289 0.2915
1 0.5824 0.5823
2 1.1601 1.1639
5 2,9101 2.9056
10 5.8302 5.8105
20 11.700 11.623
30 17.500 17.433
40 23.301 23.242
50 29.101 29.056
FEM 해석으로부터 얻은 결과는 이론값(V)으로 나타내고 실제로 측정된 값은 실제값(V)으로 나타내었다. 실제 측정에 사용된 장비는 전력공급원으로 사용되는 ROTEK 8000(출력범위 : 0.01 ~ 50 A, 정확도 ±0.03%)을 1차측 공급 전류원으로 사용하였고 2차측 출력 전압은 WAVETEK 사의 Precision Digital multimeter 1281(정확도 : 0.01%)을 사용하였다. 실제로 센서의 출력에 나타내는 전류는 100 Ω을 사용하여 전압으로 변환하여 나타내었다. 도 6은 본 발명에 대한 이론적 해석과 실험적 결과를 대비하여 작성한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 낮은 1차전류에서 실제 시험에서 얻어진 출력값이 이론적 출력값에 비해 떨어지는 것을 알 수 있다.
이것은 1차코일(10)에서 발생되는 누설 인덕턴스의 영향으로 생각되지만 목표로 하는 성능에 비해 작게 나타나는 것을 알 수 있다. [표 1]과 도 6의 결과에 의하면 실험적 결과와 이론적 결과는 0.4 % 내에서 일치하는 것으로 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 대한 이론적 해석과 실험적 결과에 대한 비선형 오차를 나타낸 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이론적 결과는 입력전류 0.5 ~ 50 A 범위에서 비선형 오차가 ±0.2 % 보다 우수함을 나타내고 실제의 측정 결과는 ±0.4 % 보다 우수함을 알 수 있다. 이론적 결과에 의하면 0.5 A와 1 A 부근에서 약간의 오차를 보이지만 그 이후 50 A 까지는 거의 오차가 없는 출력 특성을 보이고 있다. 이것은 센서 설계에서 코일의 크기와 반경, 그리고 센서 두께 등의 치수가 적절했음을 나타내고 있다. 실제 측정 결과에 의하면 0.5 A 에서 2 A, 그리고 30 A 에서 50 A 사이는 비선형도에 대한 극성이 바뀜과 함께 오차의 폭도 커진 것으로 나타났다. 이것은 이상적인 이론적 해석과 비교한 결과이고 실제 사용되는 전자식 전력량계의 전류 센서로서 매우 우수한 것으로 판단된다.
개발된 전류센서에 대한 FEM 해석 결과와 실험적 결과를 분석해보면 0.4 % 내에서 일치하는 것을 알 수 있다. 해석 결과와 실험 결과에 대한 약간의 차이는 실험과정에서 발생한 누설이나 상호유도 자속 영향, 그리고 치수와 경계 조건에 대한 오차 등의 요인이 해석 과정에서 무시된 것으로 판단된다. 실제 측정 결과에 의하면 10 A에서 20 A 범위를 중심으로 낮은 전류측정범위 0.5 A에서 2 A, 그리고 높은 전류측정 범위 30 A에서 50 A 에서는 비선형도에 대한 극성이 반전되어 균형을 이루고 있다. IEC에서 요구하는 2급 가정용 전력량계의 측정 전류는 0.5 A ~ 40 A 범위에서 ±2 %로 유지하도록 정하고 있기 때문에 본 발명에 따른 교류전류 센서는 전자식 전력량계의 전류센서로 사용하는데 매우 성능이 우수한 것임을 알 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 공심코어 원리를 사용하여 일반 변류기의 자기포화와 비선형 오차의 한계 영향이 적은 공심코어를 사용한 교류전류 센서를 개발할 수 있다.
그리고, 일반적인 로고스키 코일 방식의 저전류부분에서 선형도가 악화되는 문제를 해결하여 전자식 전력량계에 널리 응용될 수 있다.
또한, 본 발명은 자성체 코어나 자기센서를 사용하지 않고 가정용 전자식 전력량계에 사용되는 전류측정 센서로 응용될 수 있으며, 정밀도가 ±0.4 % 보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (9)

  1. 피측정 교류전류가 흐르고, 나선형태를 이루는 1차코일(10);
    상기 1차코일(10)의 나선 외곽을 감싸도록 위치하며, 상기 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
    상기 2차코일(30)에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단(50)으로 구성되고,
    상기 2차코일(30)은 환형인 플라스틱 케이스(37)내에 수용되는 것이며, 코일과 코일사이의 절연성을 높이기 위하여 우레탄 코팅된 코일을 사용하고,
    상기 플라스틱 케이스(37)는 외부 차폐를 위해 알루미늄 차폐층(35)을 구비한 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 1차코일(10)은 2번 감은 구리선인 것을 특징으로 하 는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 2차코일(30)은 2,000번 감은 구리선인 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 2차코일(30)의 외경은 30 ~ 50 mm 인 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
  8. 피측정 교류전류가 흐르고, 나선형태를 이루는 1차코일(10);
    상기 1차코일(10)의 나선 내측에 위치하며, 상기 1차코일의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
    상기 2차코일(30)에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단(50)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
  9. 피측정 교류전류가 흐르고, 제 1 나선(10b) 형태 및 상기 제 1 나선(10b)의 외곽에 위치하는 제 2 나선(10a)으로 이루어지고, 상기 제 1, 2 나선(10b, 10a)이 직렬로 연결된 1차코일(10);
    상기 1차코일(10)의 제 1 나선(10b)과 제 2 나선(10a) 사이에 위치하며, 상기 1차코일(10)의 전류변화에 비례하여 2차전류를 발생시키는 2차코일(30); 및
    상기 2차코일(30)에 의해 발생한 2차전류를 증폭하여 적분하는 적분수단(50)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공심코어를 사용한 교류전류 센서.
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