KR100542245B1 - 전자보상 계기용 변류기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 트랜스 듀서의 입력측 전류 측정에 사용되는 변류기의 성능을 개선토록 함으로써, 정확도가 보다 높은 정밀급 단상 유효전력 측정용 트랜스 듀서를 제공토록 한 것을 특징으로 하는 전자보상 계기용 변류기에 관한 것으로,

제 1 차 권선코일과; 상기 코어의 다른 일측에 설치되고 상기 제 1 차 권선코일로부터 전해지는 전자기력을 코어로부터 출력하며 권선수가 비교적 많은 제 2 차 권선코일과; 상기 제 2 차 권선코일 일측과 연결되고 동시에 코어가 감기며 상기 코어에 자기력을 가하여 제 2 차 권선코일 때문에 발생하는 자기 불평형을 해소하는 피드백 권선코일과; 상기 제 2 차 권선 코일과 피드백 권선코일의 출력단에 연결되며 라인을 통해 입력되는 전류성분중에서 직류성분을 제거하는 필터와; 상기 제 2 차 권선 코일에서 감지된 신호를 증폭하여 피드백 권선코일에 출력하는 증폭기와; 상기 피드백 권선 코일을 통과한 신호를 증폭하여 출력하는 시그널 증폭기와; 상기 증폭기의 비반전 단자와 시그널 증폭기의 반전단자에 접속되며 입력되는 전류신호가 안정적으로 증폭기 및 시그널 증폭기로 전달되도록 일정한 기준전류를 회로라인에 공급하는 인풋 시그널 보호회로를 포함하는 것이 특징이다.

전자보상, 계기, 변류기, 변성기, 트랜스 듀서

Description

전자보상 계기용 변류기{An Electronically Compensated Current Transformer for Instrumentation}

도 1a는 일반적으로 사용되는 변류기 구성도.

도 1b는 도 1a의 등가 회로도.

도 2는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 피드백 권선과 전자보상을 가진 변류기.

도 3은 피드백 권선과 전자보상을 가진 변류기의 등가 회로도.

도 4는 피드백 권선을 가진 변류기의 구조로써, 변류기의 수평 단면도 및 변류기의 수직 단면도.

도 5는 보상궤환 전류가 없는 변류기의 1/4 부분에서의 자속 분포도.

도 6은 보상궤환 전류가 있는 변류기의 1/4 부분에서의 자속 분포도.

도 7은 보상궤환 전류가 없는 변류기의 1/4 부분에서의 자속밀도 벡터도.

도 8은 보상궤환 전류가 있는 변류기의 1/4 부분에서의 자속밀도 벡터도.

도 9는 본 발명의 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 제 1 차 권선코일 20: 제 2 차 권선코일

30, 31: 피드백 권선코일 40: 필터

50, 60: 증폭기 70: 인풋 시그널 보호회로

본 발명은 전자보상 계기용 변류기에 관한 것으로, 특히 전력 트랜스 듀서의 입력측 전류 측정에 사용되는 변류기의 성능을 개선토록 함으로써, 정확도가 보다 높은 정밀급 단상 유효전력 측정용 트랜스 듀서를 제공토록 한 것을 특징으로 하는 전자보상 계기용 변류기에 관한 것이다.

지금까지 전력측정에 많이 사용되고 있는 유도형, 전류력계형 아날로그 전력계는 점차 전자 전력계에 의해 대체되어 가고 있다.

상기 아날로그 전력계에 비해 전자전력계의 큰 장점은 정확도, 직선성, 장기 안정도 등이 우수하고 외부자장의 영향이 적으며 주파수 응답성이 우수한 점이다.

또한 상기 전자 전력계는, 평균값, 첨두값, 실효값과 같은 측정값에 관한 다양한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 출력된 정보를 컨트롤 시스템, 혹은 마이크로프로세서에 의해 적절히 처리하고 동시에 연산도 가능한 기능적 장점도 가진다.

전자전력계의 일종인 전력 트랜스 듀서(Power transducer)는 교류입력전류와 전압을 측정하고 이에 비례하는 출력을 나타내는 트랜스 듀서로서 앞으로 발전소, 변전소 등 전력계통의 자동 제어시스템이나 인텔리젼트 빌딩, 오피스텔, 호텔 등에 서 전력원격 검침 시스템의 필수적 계기로 활용될 것이다.

시분할 승산방식을 사용하는 전력 트랜스 듀서는 크게 변류기(CT; Current Transformer), 변성기(PT; Potential Transformer), 펄스폭 변조기(PWM; Pulse Width Modulation), 진폭 변조기(AM; Amplitude Modulation) 등으로 구성되어지는데 전류, 전압의 두 입력 크기를 펄스폭 변조기나 진폭 변조기 등의 전자회로 동작에 필요한 작은 신호로 만들기 위하여 전력 트랜스 듀서의 입력부분은 변류기와 변성기를 사용하게 된다.

이때 변류기와 변성기를 거쳐나온 신호는 변류기와 변성기의 성능에 따라 전력 트랜스 듀서 성능의 대부분을 결정지으며 두 입력 신호가 작을 수록, 역률이 낮을 수록 정확도가 떨어진다.

따라서, 이러한 변류기의 성능을 향상시키기 위하여 2단 코어를 사용한 변류기, 일반 변류기 권선에 전자회로를 첨가한 변류기, 2단 코어를 사용한 변류기에 전자회로를 부가한 변류기 등이 활용된다.

변성기의 경우도 전자적 보상회로를 사용하여 그 정확도를 향상시키고 있다.

그러나 이들은 성능이 우수한 반면 제작이 용이하지 않으며 특별한 권선방법이 요구되고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로, 정확도가 높은 정밀급 단상 유효전력 측정용 전력 트랜스 듀서를 개발하기 위하여 전력 트랜스 듀 서의 입력측 전류 측정에 사용되는 변류기의 성능을 개선할 수 있는 방법을 제안하고 이 방법에 의하여 변류기를 제작하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 전류 측정 대상체로부터 출력되어 코어의 일측에 설치되며 권선수가 비교적 적은 제 1 차 권선코일과; 상기 코어의 다른 일측에 설치되고 상기 제 1 차 권선코일로부터 전해지는 전자기력을 코어로부터 출력하며 권선수가 비교적 많은 제 2 차 권선코일과; 상기 제 2 차 권선코일 일측과 연결되고 동시에 코어가 감기며 상기 코어에 자기력을 가하여 제 2 차 권선코일 때문에 발생하는 자기 불평형을 해소하는 피드백 권선코일과; 상기 제 2 차 권선 코일과 피드백 권선코일의 출력단에 연결되며 라인을 통해 입력되는 전류성분중에서 직류성분을 제거하는 필터와; 상기 제 2 차 권선 코일에서 감지된 신호를 증폭하여 피드백 권선코일에 출력하는 증폭기와; 상기 피드백 권선 코일을 통과한 신호를 증폭하여 출력하는 시그널 증폭기와; 상기 증폭기의 비반전 단자와 시그널 증폭기의 반전단자에 접속되며 입력되는 전류신호가 안정적으로 증폭기 및 시그널 증폭기로 전달되도록 일정한 기준전류를 회로라인에 공급하는 인풋 시그널 보호회로를 포함하는 것이 특징이다.

또한, 상기 제 2 차 코일과 피드백 권선 코일, 그리고 피드백 권선코일과 1차코일 사이에는 절연재가 더 삽입된 것이 특징이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 전자보상 변류기에 대해서 설명하면 다음과 같다.

변류기는 대전류를 안전하고 취급이 용이한 소전류로 바꾸어주는 변압기의 일종이다.

그러나 작은 신호로 바꾸어 줄 때 1차 전류의 일부분은 자성체 코어를 여자시키는데 필요하게 되어 2차전류는 1차에 공급된 양보다 적은 값이 출력되어 오차의 원인이 되며, 변류기의 오차 원인은 대부분 여자전류와 정전용량에 의한 전류 때문인 것으로 알려져 있다.

특히, 낮은 주파수에서는 여자전류에 의해서 오차가 발생되고, 높은 주파수에서는 정전용량 전류에 의해서 발생되며, 여자전류를 줄이기 위하여 투자율이 크고 면적이 큰 자성재료의 코어를 사용하거나 권선수를 많이 하면 되지만, 이 경우는 권선 면적과 정전용량을 증가시켜 정전용량에 의한 전류가 흐르게 된다.

또한, 전력 주파수에서는 정전용량 전류에 의한 오차보다 여자전류에 의한 오차가 주 원인이 되기 때문에 투자율이 크고 면적이 큰 코어를 사용함이 바람직하나, 경제적, 실용적인 면을 검토해 보았을때 비효율적이며, 또한 소형 변류기가 요 구되는 곳에서 코어의 크기를 크게 할 수 없는 경우가 많다.

도 1a, b는 일반적인 변류기와 간단한 등가회로를 나타낸 것이다.

코어분로 손실저항 Re와 코어분로 손실 인덕턴스 Lc에 의해 여자전류Im이 흐르게 되어 손실을 발생시키게 된다.

도 1a를 전기적 등가회로인 도 1b로 표시하면,

-------------(1)

로 나타낼 수 있다.

여기서 Ze는 Re와 Lc에 의한 코어손실 임피던스를 나타낸다.

식(1)은 다시

------------(2)

로 표시할 수 있다.

여기서 k = 1 + Ro/Ze로 나타내었다.

따라서 2차측 출력은 부하저항 양단의 전압이므로 출력전압 V=Is Ro이고 식(2)를 출력전압 V로 나타내면,

-------------------------(3)

로 나타낸다.

여기서 이상적 변류기인 경우를 생각하면,

Ro/Ze << 1이라고 가정할 수 있으므로 이때 출력 V는,

--------------------------(4)

이 된다.

식(4)는 이상적 변류기의 경우로서 1차 권선수와 2차 권선수의 비에 따라 출력 전압이 비례하여 나타난다.

그러나, 일반적인 변류기의 경우 자성체 코어의 손실 때문에 식(3)과 같이 비선형 출력특성을 가지게 된다.

본 발명에서는 자성체 코어 손실 임피던스에 의한 손실을 줄이기 위하여 도 2와 같이 궤환권선을 이용하고 전자적 보상기술을 사용한 변류기를 제안한다.

제안된 변류기는 1회(turn)의 1차측 권선(N1)과, 2차측 감지권선(N2)과, 피드백 권선(궤환권선, N3)과, 그리고 2차측 감지권선(N2)에서 감지된 신호를 증폭하여 피드백 권선(N3)에 공급해 주는 증폭기(A)로 구성되어 있으며 부하저항 Ro 양단에 걸리는 전압이 변류기의 출력이 된다.

이러한 구성을 가진 계기용 변류기의 등가회로를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이 전자 보상 변류기를 전기적 등가 회로로 나타내면,

-----------(5)

와 같이 된다. 여기서 입력전류 Iin은

----------(6)

으로 나타낼 수 있다.

자성체 코어손실 임피던스에 의한 손실을 가진 N2 권선에 흐르는 감지전류 Is는 전자증폭기를 통하여 손실만큼 증가되어 반전된 궤환전류 If가 N3에 공급되어 부하에 흐른다.

이때 코일 N2와 N3에 발생되는 기자력은 A N2 Is = N3 If의 관계를 가지고 있다.

여기서 A는 증폭기의 게인을 나타낸다. 따라서 식(6)을 다시 표현하면,

----------------------(7)

로 나타낼 수 있다.

입력전류가 자성체 코어 손실임피던스에 의하여 2차측으로 충분히 전달되지 못하고 손실을 발생시키지만 궤환전선과 증폭기를 사용하여 게인을 적절히 보상코일을 통하여 손실만큼 보상하여 공급하게 한다.

따라서, 코어 내부에 자기적 평형을 이루게 되어 코어 손실 임피던스에 의한 손실을 보상할 수 있다. 그리고, 식(7)을 출력에 관한 식으로 나타내면,

--------------------------(8)

이 된다.

여기서 V = Ro If의 관계가 있으며 마이너스(-)는 전류의 방향을 표시한다.

변류기의 특성시험을 위하여 도 4와 같은 구조로 권선하였으며, 도 4에는 변류기를 수평절단한 단면도 및 변류기를 수직절단한 단면도를 도시하고 있다.

상기에서 N1은 1차권선으로 자성체 코어의 내부와 외부에 표시된 각각 4개의 권선을 병렬처리하여 1회 권선이 되도록 하였다.

이렇게 하는 이유는 1차권선의 비대칭을 개선하고 이에 따른 표류정전용량에 의한 전류를 최소화하고 높은 전류에 요구되는 권선의 굵기를 분배할 수 있는 효과를 가져오기 때문이다.

자성체 코어는 투자율이 매우 높은 뮤(mu) 메탈 코어를 사용하였으며 투자율은 100,000이다.

2차권선 N2와 궤환권선 N3는 실험을 위하여 각각 같은 수의 권선을 하였으며 N2와 N3층 사이에 절연 테이프를 감아서 이 두 권선을 절연시켰다.

그리고 N2와 N3사이, N3와 N1사이에 전기적 차폐를 사용하면 더욱더 특성이 개선된다.

도 5는 보상 궤환 전류가 없을 때 보상궤환 변류기를 4등분하여 그 한 부분을 시뮬레이션 한 것이다.

도시한 바와 같이 입력 10암페어 턴의 기자력이 가해졌을 때 코어 내부에 자속이 밀집하여 분포됨을 알 수 있다.

그러나, 도 6에 나타낸 바와 같이 보상 궤환 전류가 가해지는 경우 코어 내 부에서의 자속은 거의 존재하지 않는다.

이것은 입력의 기자력과 궤환전류에 의한 기자력이 자기적 평형을 이루어 자성체 코어 내부의 자속은 거의 0(영) 상태가 되었음을 나타낸다.

이것을 더 자세히 검토하기 위하여 도 7과 도 8의 결과를 비교해 보면 알 수 있다.

보상 궤환전류가 없는 경우의 도 7은 자성체 코어 내부에서의 자속밀도 B 벡터 방향이 한 방향으로 일정함을 나타내지만 보상궤환전류가 있는 경우의 도 8은 자성체 코어 내부에서의 B벡터 방향이 서로 반대로 나타남을 알 수 있다.

이것은 보상궤환전류에 의하여 자성체 코어 내부에 자기적 평형이 이루어졌음을 의미한다.

따라서, 변류기의 입력기자력과 출력 기자력이 평형을 이룬다는 것은 여자전류에 의한 손실이 보상되어 입력의 양이 모두 출력으로 변환되어 나타남을 의미한다.

도 9는 본 발명의 실시예도로써,

전류 측정 대상체로부터 출력되어 코어의 일측에 설치되며 권선수가 비교적 적은 제 1 차 권선코일(10)과;

상기 코어의 다른 일측에 설치되고 상기 제 1 차 권선코일(10)로부터 전해지는 전자기력을 코어로부터 출력하며 권선수가 비교적 많은 제 2 차 권선코일(20)과;

상기 제 2 차 권선코일(20) 일측과 연결되고 동시에 코어가 감기며 상기 코어에 자기력을 가하여 제 2 차 권선코일 때문에 발생하는 자기 불평형을 해소하는 피드백 권선코일(30, 31)과;

상기 제 2 차 권선 코일(20)과 피드백 권선코일(30, 31)의 출력단에 연결되며 라인을 통해 입력되는 전류성분중에서 직류성분을 제거하는 필터(40)와;

상기 제 2 차 권선 코일(20)에서 감지된 신호를 증폭하여 피드백 권선코일(30)에 출력하는 증폭기(50)와;

상기 피드백 권선 코일(30, 31)을 통과한 신호를 증폭하여 출력하는 시그널 증폭기(60)와;

상기 증폭기(50)와 시그널 증폭기(60)에 접속되며 입력되는 전류신호가 안정적으로 증폭기 및 시그널 증폭기로 전달되도록 일정한 기준전류를 회로라인에 공급하는 인풋 시그널 보호회로(70)를 포함하여 구성한다.

상기 도면에서는 다수개의 1차 코일중 선택된 어느 한 개로부터 전류를 분석하는 변류기를 예시하고 있다.

상기 1차 코일(10)이 코어의 일측에 접속되고 코어의 다른 일측에는 2차 권선 코일(20)과 피드백 권선 코일(30, 31)이 접속되어 있다.

상기 2차 권선 코일(20)과 피드백 권선코일(30)에는 필터(40)가 부가되어 있는바, 상기 필터(40)는 권선코일을 통해 전달되는 직류성분을 최대한 제거하기 위한 것이다.

상기 필터(40)의 출력측에는 각각 증폭기(50, 60)가 연결되어 있어 전류신호를 충분히 증폭시킨 상태에서 전류신호를 다음 회로 연결단에 전달하게 된다.

상기에서 제 2 차 권선코일(20)과 연결된 증폭기(50)는 피드백 권선코일(30)에 연결되며 피드백 권선코일(30, 31)의 출력측에 시그널 증폭기(60)가 더 연결되어 있어 최종 출력단으로 연결되게 된다.

이때 2차권선 코일(20)에서 발생한 코어내 자기장은 피드백 권선코일(30, 31)의 자기장 영향으로 인하여 소멸되며, 따라서 정확도가 높은 변류기를 제공할 수 있게 된다.

한편, 상기 시그널 증폭기(60)의 일측에는 인풋 시그널 보호회로(70)가 삽입되어 있는바, 상기 인풋 시그널 보호회로(70)는 시그널 증폭기(60)로 지나는 전류를 일정하게 하여 원할한 회로의 원할한 동작이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
즉, 상기 인풋 시그널 보호회로(70)는 제 2 차 권선코일(20)과 피드백 권선코일(30)의 출력단에 연결되며, 제 1차 권선코일(10)에 공급되는 전류에 잡음이나 서지 혹은 사용자의 잘못으로 과전류가 흐르면 보상회로의 시그널 증폭기들이 파괴될 수 있으므로 과전류가 제 2 차 권선코일(20)과 피드백 권선코일(30, 31)에 제공되어 증폭소자들이 파괴되는 것을 미연에 방지하기 위해서이며, 이를 위해서 시그널 보호회로를 정류 다이오드(70a)와 제너다이오드(70b)를 병렬연결하여 구성한 것이다.
따라서, 본 발명의 시그널 보호회로에서는 2차측 전류레벨 이상의 신호가 들어올 경우 정류다이오드(70a)와 제너 다이오드(70b)를 통하여 접지쪽으로 유도하는 구성을 2중으로 하여 보호의 강도를 높이도록 한 것이다.
결국, 본 발명의 인풋 시그널 보호회로(70)는 증폭기 및 시그널 증폭기들과 같은 본 발명의 제 2 차 권선코일(20)과 피드백 권선코일(30, 31)에 접속된 소자들이 파괴를 막고 보다 안정적인 동작이 이루어질 있도록 하는 역할을 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전자적 보상회로와 피드백 권선 코일을 적용함으로써 제작이 간단하고 성능이 우수한 전자보상 계기용 변류기를 제공하는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.

Claims (2)

1. 전류 측정 대상체로부터 출력되어 코어의 일측에 설치되며 권선수가 비교적 적은 제 1 차 권선코일(10)과;

   상기 코어의 다른 일측에 설치되고 상기 제 1 차 권선코일(10)로부터 전해지는 전자기력을 코어로부터 출력하며 권선수가 비교적 많은 제 2 차 권선코일(20)과;

   상기 제 2 차 권선코일(20) 일측과 연결되고 동시에 코어가 감기며 상기 코어에 자기력을 가하여 제 2 차 권선코일 때문에 발생하는 자기 불평형을 해소하는 피드백 권선코일(30)과;

   상기 제 2 차 권선 코일(20)과 피드백 권선코일(30, 31)의 출력단에 연결되며 라인을 통해 입력되는 전류성분중에서 직류성분을 제거하는 필터(40)와;

   상기 제 2 차 권선 코일(20)에서 감지된 신호를 증폭하여 피드백 권선코일(30, 31)에 출력하는 증폭기(50)와;

   상기 피드백 권선 코일(30, 31)을 통과한 신호를 증폭하여 출력하는 시그널 증폭기(60)와;

   상기 증폭기(50)와 시그널 증폭기(60)에 접속되며 정류용 다이오드(70a)와 제너 다이오드(70b)를 병렬 연결하여 입력되는 전류신호가 안정적으로 증폭기 및 시그널 증폭기로 전달되도록 기준이상의 전류를 접지시켜 일정한 기준전류만을 회로라인에 공급하는 인풋 시그널 보호회로(70)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 전자보상 계기용 변류기.
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