KR0134770B1 - 디지탈 위상 보상형 전자 전력 측정장치 - Google Patents

Abstract

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Description

디지털 위상 보상형 전자 전력 측정장치

제1도는 본 발명의 전자 적산 전력계의 블럭도.

제2도는 동상 전류 및 전압 신호를 도시한 도면.

제3도는 본 발명에 따른 지연 전류 신호와 위상 보상을 나타내는 전류 및 전압 신호를 도시한 도면.

제4도는 본 발명에 따른 이상회로망의 도면.

제5도는 위상 보상의 2진코드 스위칭의 효과를 나타내는 표.

제6도는 본 발명의 실시예에 유용한 PLL장치(phase locked loop arrangement)를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2, 3 : 전류 스케일링 및 지연 회로

4, 5, 6 : 출력 전류 신호

15 : 멀티플렉서 17 : 전류-전압 콘버터

19 : 이득 조정 회로 24 : 전류 A/D 콘버터

36 : 정밀 전압 기준 회로 58 : 전압 A/D 콘버터

65 : 승산기 69 : 누산기

71 : 레지스터

본 발명은 디지털 신호처리를 이용하는 전자식 전력 측정장치에 관한 것으로, 구체적으로는 전압 및 전류신호의 불필요한 위상차 또는 위상의 에러를 보상함으로써 상기 측정계기의 측정의 정확도를 개선하기 위한 간단한 수단에 관한 것이다.

현재 발표된 전자 적산 전력계로는 Milkovic의 미합중국 특허 제4,535,287호, Milkovic과 Bogachi의 미합중국 특허 제4,556,843호, Jochum의 미합중국 특허 제4,761,605호의 것을 들 수 있는데, 이 모두 본 출원인인 양수인에게 양수됐다.

본 발명에 있어서, 전자 적산 전력계는 측정되는 회로의 전류 및 전압에 비례하는 아날로그 신호를 디지털 신호처리를 위한 디지털 신호로 변환한다. 이러한 전류 신호는 전류와 전압 입력 신호의 샘플을 기초로 하여 디지털 신호로 제공하는 A/D 콘버터와 호환성을 이루도록 전류-전압 콘버터에 의해 전압 신호로 1차 변환된다. 상기 신호를 2진-2진 형태로 변환하는 것은 전류, 전압 신호의 진폭을 기초로 한다. 다음에 상기 디지털 신호는 용이하게 승산되어, 그 승산의 적이 전력 사용량에 비례하여 측정된 전력 라인에 펄스를 발생시키는 누산기에 가해진다.

전자 적산 전력계의 측정이 정확하기 위해서는 전압 전류 신호의 각각은 A/D 콘버터에 전달되기 이전에, 바른 위상 관계에 있어야 한다. 즉, 위상관계는 전력 라인에 있는 상태를 정확히 표시해야 한다. 그러나, 전압 전류의 스케일링과 절연은 계기용 변성기 및 다른 회로소자를 포함한 회로를 통해서 이루어지는데, 상기 변성기 및 다른 회로소자에 의해서 그 사이에 위상차 또는 위상 에러가 발생하게 된다.

필요한 정확도에 도달하고, 제조공차, 계기용 변성기 사이의 에러, 시간 및 외부의 노출에 의한 회로소자의 변경을 보상하기 위해서는 전자 적산 전력계용의 위상 조정 즉, 보상 수단을 제공하는 것이 필요하다. 그러나, 그러한 보상 수단은 간단하고, 저렴하며, 안정성과 신뢰성을 갖는 것이 중요하다. 전력회사, 전기설비회사 등의 전력 측정장치 사용자들이 스크류드라이버보다 복잡지 않은 기구를 필요로 하는 현재의 회전형 자기소자 적산 전력계의 간단한 조정을 위해 수고하고 있다. 위상 조정을 위해서는 전류 센서로부터의 전류신호에 관련하여 변압기의 제2권선으로부터의 전압 신호 또는 그 위상의 전이에 대한 보상을 위해 에러 위상차의 량을 알 필요가 있다. 그러나, 3상 전력 측정장치에 있어서는 각각의 3상에 대해 각각의 전류 및 전압절연 및 스케일링 트랜스포머를 필요로 하고 있다.

각각의 3상에 대해 가변저항기 및 또는 가변캐패시터를 사용하는 통상의 이상기는 재료의 비용을 증가시키고 구성을 더욱 복잡하게 하여(그에 따라 신뢰성을 저하시키며) 특히 현장에서 고객의 수리요청이 있는 경우 개별적으로 각각의 조정을 실행하기 위해서는 별도의 비용이 추가가 될 뿐 아니라 더욱 복잡하다. 더욱이, 가변 RC회로망은 더 이상 3상 전자 적산 전력계의 다중화 신호에는 활용이 불가능하다.

본 발명의 제1목적은 전자 전력 측정장치용의 간단한 위상 조정을 제공하는데 있고, 제2목적은 다상 전력 회로용의 간단한 조정만을 필요로 하는 전자 전력 측정장치용의 위상 조정을 제공하는데 있으며, 제3목적은 저렴하고, 신뢰성과 안정성을 갖춘 전자 전력 측정장치용의 위상 조정을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 각각의 상에서 각각의 라인 전류로부터의 신호를 합성하기 위한 전류 멀티플렉서, 디지털 신호로 각각의 다중화 신호를 변환하기 위해 위상, 전류 및 전압 A/D 콘버터에 대한 각각의 라인 전압 신호를 합성하는 전압 멀티플렉서 및 다상 전력 라인상의 전력 사용량의 지시에 따라 디지털 신호를 승산하는 승산기를 사용하는 전자고상 전력 측정장치가 다상 전력 라인에 제공된다. 본 시스템에 있어서, 이상에 대한 보상을 위해서 다른 신호와 서로 관련이 있는 하나의 다중화 신호의 샘플링 타이밍을 조정하고, 전력 라인상의 보다 정확한 전력 사용량의 지시를 제공하기 위해서 이상 보상 수단이 제공된다. 그러한 이상 보상은 부하 또는 늦은 위상 에러차에 대한 조정을 가능케 한다. 본 발명은 또한 다상 전력 라인 시스템에서의 활용이 가능한데, 이 경우에 다중화는 필요치 않다.

제1도를 참조하면, 각각의 전력 라인(11, 12, 13)의 라인 전류에 비례하는 각각의 출력 전류 신호(4, 5, 6)를 제공하는 3개의 전류 스케일링 및 절연수단(1, 2, 3)을 갖춘 3상 전자 적산 전력계가 도시되어 있다. 소망의 스케일링 및 절연을 얻기 위해서, 전류 스케일링 및 절연 회로(1, 2, 3)는 전류 변성기(도시치 않음)를 구비하는데, 그 변성기는 1차 권선과 2차 권선 사이에 적당한 권선비를 가지고 부분적으로 소망의 스케일링을 제공한다. 또한, 상기 변성기는 전력 라인으로부터 전자 전력 측정장치의 고상회로를 절연시킨다. 전류 스케일링 및 절연수단(1, 2, 3)의 동작 및 구조는 전류 센서란 제목으로 Donald F. Bullock에 의해 1988년 10월 18일자로 출원된 계류중인 미합중국 특허원 제259,234호에 보다 상세히 기술되는데, 이 출원 또한 본 출원인인 양수인에게 양수되었다. 100,000 대 1 및 10,000 대 1의 전류 스케일링비는 각각 200과 20암페어(변성기 정격)의 전류게 풀스케일로 자체내장 전력 측정장치용으로 선택된다. 그 다음 풀스케일 2차 전류 또는 출력신호(4, 5, 6)는 2.0㎃의 제곱근값(rms)로 된다. 전자회로의 구성의 복잡성을 최소화 하기 위해서, 스케일화된 출력 전류 신호(4, 5, 6)는 전류 멀티플렉서(15)에 제공되는데, 이 신호들은 그 각각에 비례하는 각각의 시간분리샘플신호를 제공하도록 순서적으로 샘플화된다.

상기 멀티플렉서는 다중화된 전류 신호(16)에 따라 모두 3개의 다중화 시간분리 전류 신호(4, 5, 6)를 시간 공유하기 위해 단일 데이터 처리채널(이하 기술됨)의 사용을 가능하게 한다. 다중화 전류 신호(16)는 전류-전압 콘버터(17)의 입력에 제공되는데, 상기 콘버터는 이하 기술될 A/D 콘버터와 호환성을 갖는 다중화 전류 신호(16)에 비례하는 전압 신호(18)를 발생시키기 위해서, 전류-전압 콘버터(18)쪽으로 다중화 전류 신호(16)를 통과시킨다. 전류-전압 콘버터(17)의 스케일링은 1㎃ 입력 신호(16)마다 1V 출력신호(18)를 갖는다. 전압 신호(18)는 연산증폭기(도시치 않음)의 이득을 변화시켜, 신호(18)에 대한 소정의 진폭을 제공하도록 이득 조정 제어 회로, 또는 전위차계(20)를 사용하는 이득 조정 회로(19)에 공급되며, 그후에 이득 조정 전류 아날로그신호(23)는 전류 A/D 콘버터(24)에 공급된다. A/D 콘버터(24)는 또한 전류 즉 I 클럭 신호(25)와 전압 기준 신호(26)를 수신한다.

이러한 I 클럭 신호(25)는 시프트 샘플타임회로(32)를 통해서 공급된 수정제어 발진기 즉 클럭(30)에 의해 제공된 정밀한 타이밍 신호이다. 상기 회로(32)는 위상 조정수단(33)을 포함하는데, 이하 제2도 내지 제5도를 참조하여 상세히 기술된다. 전압 기준 신호(26)는 정밀 전압 기준회로(36)의 온도보상 제너 다이오드로 구성되는 안정한 정밀 기준 전압이 되는데, 상기 다이오드 대신에 National Semiconductor사 제조의 제조명 LM129의 집적회로가 사용될 수도 있다.

전압(41)의 위상 1, 전압(42)의 위상 2, 전압(43)의 위상 3은 전압 스케일링 및 절연 회로 즉, 트랜스포머회로(44, 45, 46)에 공급되어, 전압 A/D 콘버터(58)에 전압 다중화 아날로그신호(57)는 제공하는 전압 멀티플렉서(56)에 각각의 전압스케일화 및 절연화신호(51, 52, 53)를 공급한다.

전압 스케일링 및 절연 회로(44, 45, 46)는 그 위상지연 특성이 동일해지도록 매치되는 것이 중요하다. 유사하게, 전류 스케일링 및 절연 회로(1, 2, 3)는 그 위상지연 특성이 또한 동일해지도록 서로 매치되는 것이 중요하다. 전압 A/D 콘버터(58)는 또한 정밀 전압 기준 회로(36)로부터 전압 기준 신호(26)를 수신하며, 시프트 샘플타임회로(32)로 제공된 전압클럭 즉, V 클럭 신호(60)를 수신한다. 제1도의 실시예에 있어서, A/D 콘버터(24, 28) 모두는 전압 기준 신호(26)에 의해 구해진 바와 같이, 약 ±3.45VDC의 풀스케일 범위를 갖는다. 클럭(30)은 A/D 콘버터(24, 58)의 기능을 제어하도록 정밀한 시간기준의 클럭 신호(27)를 제공하며, 상기 시프트된 타임샘플 클럭 신호는 이하 제4도와 관련하여 기술하는 바와 같이 클럭 신호(27)의 주파수의 1/12의 정격신호를 갖는다. 신호(25, 60)는 A/D 콘버터(24, 58)가 전류 및 전압 입력(23, 57)을 샘플화하고, 그 진폭을 2진 워드로 변환하는 일정한 샘플정격을 설정한다. 전류 및 전압 신호(23, 57)는 클럭 신호(27)의 20번째 사이클마다 샘플화된다. 수 ㎑를 초과하는 샘플 정격은 입력 신호(23, 57)의 고조파에 대해 양호한 성능을 갖도록 고려된 것이다.

전류 A/D 콘버터 및 전압 A/D 콘버터(58)는 디지털 전류 신호(63)와 디지털 전압 신호(64)로 명명된 출력신호를 각각 공급하는데, 이 신호들은 이득 조정 전류 신호(23)와 전압 다중화 신호(57)로 각각 명명된 그 아날로그 입력에 비례하는 디지털 워드를 나타낸다. 전류 및 전압 A/D 콘버터(24, 58)에 있어서, A/D 콘버터에 I 클럭 즉, 타이밍 신호(25), V 클럭 즉, 타이밍 신호(60)를 인가하는 경우에, 아날로그 입력 신호(23, 57)는 각각 전류 및 전압 신호(23, 57)의 2진 크기를 정의하는 전압 기준 신호(26)로서 2진 형태로 변환된 크기로 샘플화되어 그 상태를 유지한다.

디지털 전류 신호(63)과 디지털 전압 신호(64)는 2진 코드화 신호 즉, 워드의 형태로 되어 디지털 논리 즉 디지털 신호 처리기술이 측정기능의 나머지를 수행하는데 사용되어질 수 있다. 디지털 전류 신호(63)와 디지털 전압 신호(64)는 각각의 2진 코드화 전류 샘플을 승산하는 승산기(65)에 입력을 제공하며, 상기 승산기는 그 대응전압샘플의 2진 코드화전류 샘플로서 누산기(69)에 디지털 입력 신호(68)를 제공하는데, 그 누산기의 입력은 상기 2진 전류샘플의 적을 표시하며, 전력에 비례한다. 라인(1)의 라인전류의 샘플은 그것이 다중화 전류 신호(16)에 의해 운반될 때 승산되며 위상 1의 위상전압(57)의 샘플은 그것이 라인(1)에서 측정된 전력의 다중화 전압 신호(57)에 의해 이전되어질 때 승산되는데 이는 라인(2, 3)의 전류 및 전압샘플에 대해서도 마찬가지이다. 라인(2)의 경우에 있어서, 승산된 라인전류(12)와 전압(42)의 샘플이며, 라인(3)에 있어서는 승산된 라인전류(13)와 전압(43)의 샘플이 된다.

매시간마다, 승산된 전압 전류 샘플 또는 입력(68)의 누산합은 측정장치의 와트시 상수에 비례하며, 프리세트 트레솔드값에 이르며, 누산기(69)에 의해서 출력펄스가 발생된다. 본 발명의 1실시예에 있어서, 출력펄스(70)의 정격은 등가의 전자기계식 적산 전력계의 디스크회전 정격의 12배로 선택되어진다. 전형적인 트레솔드값은 2-와이어 단상위상의 1소자 측정장치가 사용되는 경우에 144(10^-6) 볼트-암페어-초이며, 3상 위상이 사용되는 경우에, 864(10^-6) 볼트-암페어-초이다. 레지스터(71)는 수신한 펄스(70)수를 근거로한 에너지 정보를 계수, 기억 및 디스플레이시키며, KWH의 라인전력 소비량을 디스플레이시키도록 도시치 않은 액정디스플레이 같은 디지털 디스플레이 장치를 구비하고 있다.

레지스터(71)에 의한 에너지 단독의 정확성은 전류 및 전압 신호(63, 64)에 따르는데, 상기 신호는 아날로그 전류 및 전압 신호(23, 57)로부터 유도되며, 상기 신호(23, 57)는 승산기(65)에 의해 승산되는 경우 바른위상을 나타낸다.

제2도를 참조하면, 이상적인 위상관계가 도시되는데, 여기서 상기 전류 신호(23) 및 전압 신호(57)는 동위상이다. 따라서 이상 보상은 필요치 않다. 그 결과, 동상 전류 및 전압 신호(23, 57)의 A/D 변환은 콘버터(24, 58)에 의해 각각 동시에 실행되어진다. 이러한 순간 변환은 제2도에 도시되어 있는데, 여기서 I 클럭(25) 및 V 클럭(60)은 신호(23, 57)의 위상성분과 일치한다. 2개의 A/D 변환파형의 단부에서, 변환기(24, 57)로부터의 2진 출력(63, 64)은 각각 위상 아날로그 전류 및 전압 신호(23, 57)를 위상으로 나타낸다. 결과적으로, 전류 신호(63) 및 전압 신호(64)가 승산기(65)에 의해 승산될 때 전력 라인(11, 12, 13)에 의해 소모되는 전력은 승산기(65)로부터의 바이너리 디지털 신호(68)로써 명백히 알 수 있다.

제3도에서, 전류 신호(23)는 전류회로, 즉 전류 스케일링 및 절연 회로(1, 2, 3)의 전류 감지기에서 위상지연이 있음을 알 수 있다. 한편, 제3도에 좀 과장되게 도시하였지만 실질적인 사용에 있어서 지연이 생기는데, 이것은 I 클럭 및 V 클럭 신호(25, 60)가 동시에 발생되는 경우(제2도) 전류 신호(23)는 음(-)이 되고 전압 신호(57)는 양(+)이 되는 시간지연, 즉 Td(74)가 있으므로 라인(11, 12, 13)에 실제전력을 정확히 표시하지 않는 승산기 출력신호(68)를 제공한다. 변위샘플 시간회로(32)는 타이밍이 전류 및 전압 신호(23, 57)의 위상과 관련하여 정확하도록 V 클럭(60)에 관련된 시간지연(74)과 동일한 양만큼 I 클럭(25)를 클럭지연, 즉 (25)에의해 지연되게 하며, 이것에 대해서는 제4도 및 제5도와 관련하여 상세히 설명한다. 이어서, 시간변위된 I 클럭 신호(25) 및 V 클럭 신호(60) 양자는 그들의 각 신호를 샘플하기 시작하는데, 예컨대 전류 신호(25) 및 전압 신호(57)가 양(+)이 되기 시작하는 순간에 샘플하기 시작한다. 이러한 방식에서, 샘플링 주기는 전류 및 전압 신호(23, 57)이 위상이 같은 시간에 일치하도록 조정된다. 위상샘플 시간회로의 작동 및 상세한 상황을 제4도 및 제5도를 참조하면 잘 알 수 있을 것이다.

제4도는 디지털 위상 조정회로망을 상세히 나타내고 잇다. 제4도에서, 클럭(30)은 414.6㎑ 클럭 신호(31)를 변위샘플시간(32)의 카운터 또는 분할기(83)에 제공하고, 이 카운터 또는 분할기는 신호(31)를 1/12만큼씩 분할하여 대략 34.5㎑인 출력신호(48)를 제공한다. 신호(84)는 대략 34.5㎑에서 아날로그 전압으로 전압 클럭 신호(60)를 디지털 변환기(58)에 제공하는 AND/OR 선택 논리 회로(106)를 구동하며, 그리고 대략 34.5㎑에서 아날로그 전류로 디지털 변환기(24)에 전류 클럭 신호(25)를 제공한다. 전압 클럭 신호(60) 및 전류 클럭 신호(25)는 아날로그 대 디지털 변환기(58, 24) 각각이 승산된 아날로그 입력 신호(57, 23) 각각을 샘플하고 변환기의 아날로그 입력 신호(57, 23)의 크기를 2진 코드출력(64, 64) 각각으로 변환할 때 제어하는 제어신호이다. 근본적으로, 전압 클럭 신호(60) 및 전류 클럭 신호(25)는 샘플링비 및 각 아날로그 대 디지털 변환기(58, 24)에 있어서의 각 변환과정을 결정하며, 할당된 12개의 클럭타임 또는 펄스내에서 다음 전압 클럭 신호(60) 및 전류 클럭 신호(25) 전에 완료하도록 클럭된다.

전압 클럭 신호(60)와 전류 클럭 신호(25)간의 위상 또는 타이밍 변이는 시프트 샘플 타임회로(32)에 의해 세트된다. 이러한 타이밍 변이는 EECO, INC, 사이서 시판되는 모델명이 330035GS인 16진수 바이너리코드 스위치인 위상 변이 제어기(68)에 의해 제어된다. 비트 0, 비트 1, 비트 2, 비트 3으로써 도시된 4비트 바이너리 입력은 입력(90, 91, 92, 93)을 경유하여 4비트 신호를 디코드 논리 회로(95)에 제공한다. 제5도는 BITS 0 내지 3에 대한 가능한 입력상태(헥사코드 및 바이너리코드로 표시)를 나타낸다. 또한, 제5도는 전압과 전류 클럭 신호(60, 25)간의 위상지연의 규정된 정도(TAU로 주어짐)를 제공하는 BITS 상태의 할당값을 나타낸다. 제5도에서 상태 0(헥사)는 클럭 신호(60, 25)간에 지연이 없음을 나타내며 이것은 이들 신호가 시간 또는 위상이 일치함을 나타냄을 주목해야 한다. 디코드 논리 회로(95)의 4비트 출력은 출력(97, 98, 99, 100)을 경유하여 비교 또는 비교회로(103)에 제공된다. 디코드 논리 회로(95)는 2진 스위치(88)의 입력으로부터 BITS 0 내지 3을 디코드하여 제5도에 도시된 지연을 나타내는 97 내지 100의 디코드 출력을 제공한다. 즉 출력(97, 98, 99, 100)은 위상 분리(정도로 표시)에 얼마나 많은 단계 또는 0(헥사)로부터의 상태가 있어야 하는가를 한정한다. 또한 디코드 논리 회로(95)는 BITS 0 내지 3을 디코드하여 제5도에 도시된 디코드로부터 늦은 신호(107)를 전개한다. 지연신호(107)는 위상 조정 또는 보상 방향을 결정한다. 즉 전류 신호(23)가 전압 신호(57)보다 지상인가 또는 진상인가를 결정한다. 카운터(83)가 출력(97, 98, 99, 100)에 의해 규정된 상태에 도달했을 때 출력 IN1(105)은 비교회로(103)로부터 발생하고, 카운터(83)가 카운트를 끝냈을 때는 출력 IN2가 발생한다. 출력 IN1 또는 클럭 신호(105) 및 출력 IN2 또는 클럭 신호(48)는 양자 모두가 대략 34.5㎑이다. 출력신호(105, 84)는 늦은 신호(107)를 수신하는 AND/OR 선택 논리 회로(106)에 대한 입력 신호이다. 늦은 신호는 AND/OR 논리 회로(106)의 출력(25, 60)에서 IN1 및 IN2 신호를 교차전환하는 스위칭 신호로써의 기능하며, 논리 회로(106)는 변환기(24, 57)의 샘플링 개시시간을 제어한다.

2개의 클럭 신호(84, 105)는 AND/OR 선택 논리 회로(106)에서 늦은 신호(107)와 논리적으로 결합된다. 늦은 신호(107)가 1일 때 IN1 신호(105)는 전류 또는 I 클럭 신호(25)를 제어하고, IN2 신호(84)는 전압 또는 V 클럭 신호(60)를 제어한다. V 클럭 신호는 제5도에 도시된 BITS 0 내지 3 스위치 세팅에 의해 결정되는 것으로써 지연된다. 늦은 신호(107)가 0인 경우 IN1 신호(105)는 논리 회로(106)에서 전환되어 전압 또는 V 클럭 신호(60)를 제어하고 IN2 신호(84)는 I 클럭(25)을 제어하도록 전환된다. 이어서, 변환기(24)에서의 전류 신호(25)의 샘플링은 전압 변환기(57, 늦음=0, 제5도에 도시)에 인가된 IN 신호 발생시간에 의해 특징되는 양(도로 표시)만큼 지연된다.

변위샘플 시간회로(32)에 의해 제공되는 시간지연 또는 이상에 대한 상세한 설명은 제5도와 관련해서 상세히 설명하겠다.

제5도에서, 표는 16단계 및 4비트 헥사코드회전 스위치(88)에 대한 2진 코드를 나타낸다. 제로 또는 0 지연은 각 변환기에 대한 아날로그 입력 전류와 전압 신호(23, 57)간에는 지연이 없음을 나타낸다. 제로지연 상부의 11스위치 위치는 변환기(24)에 대한 전류 아날로그 입력(23)이 변환기(58)에 대한 아날로그 전압 신호(57)보다 지상인 상태의 단계를 나타낸다. 0 지연 아래의 4 스위치 위치는 입력 전류(23)이 입력전압(57)보다 진상인 경우의 단계를 나타낸다. 회전 스위치(88)는 클럭타이밍 신호(60, 25)간의 지연을 단계당 대략 3/4정도의 총 조정범위에 대해 대략 0.025°로 전압 A/D 변환기에 제공하도록 작동되는 스크류드라이버이다. 소단계는 광석 검파기로 제어되는 클럭(30)으로부터의 클럭 신호(31) 주파수에 따라 매우 정밀하게 세분될 수 있다.

제5도에서 지연점이 없는 점 아래의 4단계는 전류 타이밍 또는 클럭 신호(25)가 전압 타이밍 또는 클럭 신호(60)를 선행하는 타이밍 또는 클럭 신호를 제공함을 알 수 있다. 즉, 전류 클럭 신호(25)에 의해 개시되는 입력 전류의 샘플링은 전압 클럭 신호(60)에 의해 개시되는 입력전압의 샘플링보다 진상이다. 이어서, 회전 스위치(88)는 잘못하여 계기속으로 에러가 유입될 수 있는 위상차를 보상하도록 지상 또는 진상타이밍, 또는 위상 조정을 할 수 있다. 위상 조정은 제작기간동안 스크류드라이버에 의해 용이하게 수행될 수 있으며, 또한 소비자 서비스 요원에 의해 수리될 수 있다. 추가로, 신호 조정은 다중 위상 전력계의 위상을 조정하도록 요구되는 모든 것이다.

본 발명은 제작허용오차, 시간에 따른 회로 파라미터의 변환 및/또는 주위노출을 포함하여 잘못하여 전력계속으로 에러가 도입되는 다수의 상황을 보고하고, 또 전류 스케일링 및 분리회도(1, 2, 3)내에 포함된 전류변환기(도시 생략)와 같은 다른 시스템 성분을 보상하도록 효과적이고 간단한 조정을 제공한다. 추가로 본 발명에 의한 조정은 테스트 조건을 다르게 할 수 있으며, 및/또는 기준 규격을 다르게 만들 수도 있다. 또, 스크류드라이버에 의한 조정은 단일 위상 계기에서의 위상 에러를 효과적으로 보상할 뿐만 아니라 다위상계기의 3상 에러를 효과적으로 보상한다.

대부분의 상용 전력 시스템의 전력 라인(11, 12, 13)의 주파수는 클럭 및 다른 타이밍 소자가 정확성에 의존하여 안정되므로 전력 라인 주파수 변동에 대한 보상을 할 필요가 없다. 본 발명에 있어서, 입력 신호를 A/D 변환기(24, 58)로의 위상 매칭은 전류 신호(23)에 관련된 전압 신호(57)의 샘플링 시간을 변동시킴으로써 수행된다. 전력 라인 주파수가 변화할 때, 제5도에 도시된 일정한 양은 다른 위상 변동량을 나타낸다. 라인 주파수가 아무리 최악의 상태로 변동하더라도 0.02%는 초과하지 않는다. 이것은 통상 전력 사용가가 전력사용이 급증하는 기간이 지난 사이클에서 캐칭업(catching up)하는 밤이나 주말과 같이 전력 사용량이 낮은 기간동안 발생한다. 미국 국립표준연구소(ANSI)기준 C12.1에는 라인 주파수 변동 테스트에서 주파수가 전력인자를 1.0으로 간주할 때 ±5%로 변화하도록 규정하고 있다. 심지어, 최악의 테스트 조건에서, 전력인수 1.0에서의 전력량계눈금의 변동은 무시한다. 본 발명에서, 라인 주파수 변동으로 인한 에러는 전력 라인 주파수 변동에 따라 시간지연을 하는데 수반되는 복잡성으로 조정되지 못한다. 그러나 어느정도 정확성이 요구되므로 본 발명에 의해 수행되는 위상 보상은 라인 주파수에 반응하지 못하게 하여 위상 고정 루프의 사용을 통해 클럭(30)을 라인 주파수로 슬레이빙(slaving)함으로써 수행될 수 있다.

제6도는 추가의 정확성이 요구되는 경우 본 발명에 사용될 수 있는 PLL 회로를 나타낸다. 알맞은 위상 고정 루프는 본 발명의 동일 양수인에게 양도되어 Milkovic에게 허여된 미합중국 특허 4,682,102호에 개시되어 있다. 제6도에서, 발진기 또는 클럭(30)은 PLL 회로(108)를 포함한다. PLL회로(108)는 제어 회로(111)와 직렬로 연결된 카운터 또는 N 분할기(109)를 포함한다.

전력 라인으로부터의 아날로그 라인 전압(112)은 궤환신호(113)와 더불어 제어신호(111)에 대한 입력이다. 분할기(109)의 분할비 N 및 클럭(30)의 주파수는 분할비 N만큼 분할된 주파수가 라인 전압(112)의 주파수와 동일하도록 선택된다. 이것은 클럭주파수 대 카운터비 N이 전력 라인 주파수로 된다.

제어 회로(111)는 라인 전압(112)의 위상 및 궤환신호(113)를 비교하고, 전력 라인 주파수의 소정의 승산비율 N으로 효과적으로 클럭(30)의 주파수를 고정하도록 클럭(30)에 제어신호를 인가하며, 전력 라인 주파수(112)와 일치하는 주파수로 클럭(30)의 주파수를 정확히 만든다. N은 클수록 바람직하며, 7000 또는 그 이상의 경우에는 측정에 대한 출력펄스가 출력펄스비에 따른 임의의 지터를 방지하도록 충분히 커야 하므로 디지털 전력계에서 바람직하다.

한편, 본 발명은 본 명세서에서는 임의의 특정실시예에 대해서만 기술했지만 구성에서 여러 가지 수정이 가해질 수 있으며, 또한 각 부분의 배열 및 결합과 사용된 물질의 형태는 본 발명의 영역 및 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 변형이 가능하다.

Claims (25)

1. 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량을 측정하기 위한 전자 적산 전력계에 있어서, 상기 전력 라인의 각 라인의 전류 흐름에 응답하여 제1의 디지털 신호를 제공하기 위한 제1A/D 콘버터와, 상기 각각의 전력 라인에 가해진 전압에 응답하여 제2의 디지털 신호를 제공하기 위한 제2A/D 콘버터와, 상기 전력 라인상에 전기 에너지 소모량의 지시를 유도하도록 제1디지털 신호 및 상기 제2디지털 신호를 승산하기 위한 승산기와; 상기 제1A/D 콘버터에 제1타이밍 신호를 제공하고, 상기 제2A/D 콘버터에 제2타이밍 신호를 제공하는 보상 수단을 구비하는데, 단일 조정자를 통해 상기 다상 전력 라인의 모든 전류 및 전압 위상에 대한 시간 위상의 상기 제1 및 제2디지털 신호를 상기 승산기에 제공하도록 상기 보상 수단은 상기 제2타이밍 신호의 타이밍과 관련하여 상기 제1타이밍 신호의 타이밍 방향 및 타이밍 양을 편이시킴으로써 위상 에러를 선행 또는 지연시키는 이상 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
2. 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량을 측정하기 위한 전자 적산 전력계에 있어서, 상기 전력 라인의 각 라인의 전류 흐름에 응답하여 제1의 디지털 신호를 제공하기 위한 제1A/D 콘버터와, 상기 각각의 전력 라인에 가해진 전압에 응답하여 제2의 디지털 신호를 제공하기 위한 제2A/D 콘버터와, 상기 전력 라인상에 전기 에너지 소모량의 지시를 유도하도록 제1디지털 신호 및 상기 제2디지털 신호를 승산하기 위한 승산기와, 상기 제1A/D 콘버터에 제1타이밍 신호를 제공하고, 상기 제2A/D 콘버터에 제2타이밍 신호를 제공하는 제1보상 수단을 구비하는데, 단일 조정자를 통해 상기 다상 전력 라인의 모든 전류 및 전압 위상에 대한 시간 위상의 상기 제1 및 제2디지털 신호를 상기 승산기에 제공하도록 상기 제1보상 수단은 상기 제2타이밍 신호의 타이밍과 관련하여 상기 제1타이밍 신호의 타이밍 방향 및 타이밍 양을 편이시킴으로써 위상 에러를 선행 또는 지연시키는 이상 수단을 포함하고, 적산 전력계 회로 및 전력 라인의 위상차에 위상 보상이 제공되고, 전력 라인 주파수 변화에 대해 추가 보상이 제공되도록 전력 라 인 주파수 변화에 대해 상기 전자 적산 전력계의 둔감성을 제공하는 추가 보상 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
3. 제2항에 있어서, 상기 이상 수단은 상기 전력 라인의 전류 및 전압중 어느 하나의 위상의 편이와 관련하여 상기 제1 및 제2타이밍 신호중 하나의 타이밍을 편이시키기 위한 수단 및 고정 타이밍 오프셋을 제공하는 수단을 구비하고 상기 추가 보상은 위상 고정 루프를 포함하는 것을 특지으로 하는 전자 적산 전력계.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1보상 수단은 상기 A/D 콘버터에 제공된 타이밍 신호를 크로스 스위칭하는 수단을 구비하고, 상기 제1 및 제2타이밍 신호의 주파수는 상기 전력 라인상의 주파수에 비해 매우 높은 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
5. 제4항에 있어서, 상기 전력 라인의 각 위상과 회로에서 접속되는 전류 스케일링 및 절연 회로와, 상기 제1의 A/D 콘버터에 다중화 아날로그 전류 신호를 공급하기 위해 각각의 전류 스케일링 및 절연 회로의 출력을 결합시키는 전류 멀티플렉서 수단과, 상기 전력 라인의 각 위상에 회로적으로 접속되는 전압 스케일링 및 절연 회로와, 상기 제2의 A/D 콘버터에 다중화 아날로그 전압 신호를 공급하기 위해 각각의 전압 스케일링 및 절연 회로의 출력을 결합시키는 전압 멀티플렉서 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
6. 제5항에 있어서, 상기 다중화 아날로그 전류 신호가 상기 제1A/D 콘버터에 인가되기 이전에 상기 다중화 아날로그 전류에 비례하는 전압 신호로 상기 다중화 아날로그 전류 신호를 변환하는 전류-전압 콘버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1A/D 콘버터에 비례 전압 신호를 가하기 이전에 그 진폭을 조정하는 조정성 이득 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1A/D 콘버터와 상기 제2A/D 콘버터에 기준 전압 신호를 제공하는 정밀 기준 전압원을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
9. 제8항에 있어서, 상기 정밀 기준 전압원은 제너 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
10. 제9항에 있어서, 발진기로부터 상기 제1 및 제2타이밍 신호가 유도되는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
11. 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량을 측정하기 위한 전자 적산 전력계에 있어서, 상기 전력 라인의 각 라인의 전류 흐름에 응답하여 다중화 전류 신호를 제공하는 다중화 전류 신호 제공 수단과, 상기 전력 라인의 각 라인에 가해진 전압에 응답하여 다중화 전압 신호를 제공하는 다중화 전압 신호 제공 수단과; 상기 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량에 비례하는 신호를 제공하기 위하여 상기 다중화 전류 신호와 상기 다중화 전압 신호를 승산하는 승산기와, 상기 승산기에 의해 승산이 이루어지기 이전에 그 다중화 전류 신호 및 다중화 전압 신호를 샘플링하는 샘플링수단과, 상기 다중화 전류 및 전압 신호의 샘플링 타이밍을 조정함으로써 다중화 전류 신호와 전압 신호 사이의 위상차 에러를 보상하는 보상 수단을 구비하는데, 상기 샘플링 수단은 상기 승산기에 의한 승산 이전에 상기 다중화 전류 신호를 제1디지털 신호로 변환하는 전압 A/D 콘버터와, 상기 승산기에 의한 승산 이전에 상기 다중화 전압 신호를 제2디지털 신호로 변환하는 전압 A/D 콘버터를 구비하고, 상기 보상 수단은 상기 각각의 제1 및 제2A/D 콘버터에 별개의 타이밍 신호를 제공하는 수단과, 상기 타이밍 신호중 어느 하나의 타이밍을 다른 타이밍 신호와 관련하여 조정하는 수단을 구비하고 상기 타이밍 신호는 발진기로부터 유도되고 상기 발진기는 그 정확도가 상기 전력 라인의 주파수의 주파수 정확도와 동일하게 구성되도록 PLL 회로를 구비하고, 상기 전류 A/D 콘버터에 제공된 타이밍 신호는 상기 전압 A/D 콘버터에 제공된 타이밍 신호와 관련하여 조정되며, 상기 보상 수단은 상기 A/D 콘버터에 제공된 타이밍 신호를 크로스 스위칭 시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
12. 제11항에 있어서, 상기 발진기는 고주파 발진기인 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
13. 제12항에 있어서, 상기 전류 A/D 콘버터에 제공된 타이밍 신호의 조정은 2진 코드식 스위치로서 실행되는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
14. 제13항에 있어서, 상기 타이밍 신호 사이에는 고정 타이밍 오프셋이 제공되는데, 제공 이후 그 타이밍 오프셋은 상기 2진 코드식 스위치의 조정에 의해 수정되는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
15. 제14항에 있어서, 상기 2진 코드식 스위치는 적어도 4-비트 2진 코드를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
16. 제15항에 있어서, 상기 발진기의 주파수는 상기 전력 라인상의 주파수에 비해 매우 높으며, 상기 전류 및 전압 A/D 콘버터에 타이밍 신호가 제공되는 기간동안 고주파 샘플링의 다중화 전류 및 전압 신호를 제공하도록 상기 각각의 전류 및 전압 A/D 콘버터에 고주파 펄스를 제공하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
17. 제16항에 있어서, 상기 보상 수단은 상기 다중화 전류 신호가 상기 전압 다중화 신호에 비해 선행 또는 지연인지 여부를 나타내기 위해 2진 코드식 스위치로부터의 출력에 응답하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
18. 제17항에 있어서, 상기 2진 코드식 스위치는 상기 다중화 전압 신호와 관련하여 상기 다중화 전류 신호의 샘플링 타이밍을 변경하도록 동작하여 상기 신호들간의 위상차 에러를 보상하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
19. 제11항에 있어서, 상기 고정 오프셋은 상기 타이밍 신호의 타이밍에 제공되며, 상기 타이밍 조정 수단은 선행 및 지연 위상차의 조정을 가능케 하는 2진 코드로 된 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
20. 제19항에 있어서, 상기 고정 오프셋은 상기 타이밍 신호중 하나의 타이밍에 제공되며, 상기 타이밍 조정 수단은 선형 및 지연의 위상차의 조정을 가능케하는 2진 코드식 스위치로 된 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
21. 제11항에 있어서, 상기 발진기의 주파수는 상기 전력 라인의 라인 주파수보다 훨씬 높은 발진기의 서브-멀티플 주파수에서 상기 타이밍 신호를 제공하도록 카운터 회로에 의해 분할되는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
22. 제21항에 있어서, 상기 디코딩 논리 회로는 상기 전류 및 전압 A/D 콘버터에 상기 타이밍 신호가 가해지는 것을 선택적으로 제어하는 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
23. 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량을 측정하기 위한 전자 적산 전력계에 있어서, 상기 전력 라인의 각 라인의 전류 흐름에 응답하여 다중화 전류 신호를 제공하는 다중화 전류 신호 제공 수단과, 상기 전력 라인의 각 라인에 가해진 전압에 응답하여 다중화 전압 신호를 제공하는 다중화 전압 신호 제공 수단과, 상기 다상 전력 라인의 전기 에너지 소모량에 비례하는 신호를 제공하기 위하여 상기 다중화 전류 신호를 승산하는 승산기와, 상기 승산기에 의해 승산이 이루어지기 이전에 그 다중화 전류 신호 및 다중화 전압 신호를 샘플링하는 샘플링 수단과, 상기 다중화 전류 및 전압 신호의 샘플링 타이밍을 조정함으로써 다중화 전류 신호와 전압 신호 사이의 위상차 에러를 보상하는 보상 수단을 구비하는데, 상기 샘플링 수단은 상기 승산기에 의한 승산 이전에 상기 다중화 전류 신호를 제1디지털 신호로 변환하는 전류 A/D 콘버터와, 상기 승산기에 의한 승산 이전에 상기 다중화 전압 신호를 제2디지털 신호로 변환하는 전압 A/D 콘버터를 구비하고, 상기 보상 수단은 상기 각각의 제1 및 제2A/D 콘버터에 별개의 타이밍 신호를 제공하는 수단과, 상기 타이밍 신호중 어느 하나의 타이밍을 다른 타이밍 신호와 관련하여 조정하는 수단을 구비하고, 상기 발진기의 주파수는 상기 전력 라인의 라인 주파수보다 훨씬 높은 발진기의 서브-멀티플 주파수에서 상기 타이밍 신호를 제공하도록 카운터 회로에 의해 분할되고, 상기 디코딩 논리 회로는 상류 전류 및 전압 A/D 콘버터에 상기 타이밍 신호가 가해지는 것을 선택적으로 제어하는 신호를 제공하고, 상기 카운터 회로의 카운터 내용은 상기 타이밍 신호중 적어도 하나에 대한 지연량과 변경의 방향을 제공하여 상기 다중화 전류 및 전압 신호간의 위상차에 대한 보상을 제공하도록 상기 디코딩 논리 회로로부터 2진 코드 출력과 비교되는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
24. 제22항에 있어서, 상기 발진기의 주파수는 400㎑를 초과하며, 상기 카운터 회로는 상기 발진기 주파수를 12로 분할하는 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.
25. 제14항에 있어서, 상기 타이밍 신호의 속도는 상기 고정 타이밍 오프셋과 동일한 것을 특징으로 하는 전자 적산 전력계.

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