KR100604614B1

KR100604614B1 - 측정용 트랜스

Info

Publication number: KR100604614B1
Application number: KR1020047003783A
Authority: KR
Inventors: 알로이즈 우벤
Original assignee: 알로이즈 우벤
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2002-08-31
Publication date: 2006-07-28
Also published as: PL206303B1; US7193409B2; EP1430313B1; JP2005503561A; ES2232779T3; DE10145415A1; PT1430313E; CN1554027A; PL367465A1; AR036516A1; ATE285585T1; US7057384B2; DE50201862D1; US20060145684A1; BR0212480A; US20040227501A1; KR20040039356A; BR0212480B1; CN1260573C; AU2002337053B2

Abstract

본 발명은 환상 철심에 의해 형성되는 자기회로, 전류가 흐르며 상기 환상 철심에 의해 둘러싸인 도선, 환상 철심 상에 배치되는 2차 권선, 환상 철심의 갭에 배치되고 갭에서의 자계를 감지하는 자계 측정 소자를 구비하는 기준 전류와, 도선을 통해 흐르는 전류를 비교하기 위한 측정용 트랜스에 관한 것이다. 본 발명에 따라 이러한 측정용 트랜스로 기준값으로부터의 고주파 편차가 있는 경우라도 신뢰성 있는 검출을 위하여, 기준 전류를 갖는 2차 권선 상에서 작용하는 기준 설정 장치가 제공된다. 본 발명에 따른 측정용 트랜스는 풍력 설비를 위한 인터버의 출력 전류를 측정하는데 이용되는 것이 바람직하다.

발전기, 인버터, 트랜스.

Description

측정용 트랜스{MEASURING TRANSFORMER}

본 발명은 환상 철심(toroidal core)에 의해 형성된 자기회로, 전류가 흐르고 환상 철심에 의해 둘러싸인 도선, 환상 철심 상에 배치되는 2차 권선, 환상 철심의 갭에 배치되고 갭에서의 자계를 감지하는 자계 측정 소자를 구비하며, 도선을 통하여 흐르는 전류를 기준 전류와 비교하기 위한 측정용 트랜스(measuring transformer)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 도선을 통해 흐르는 전류를 제어 또는 조정하기 위한 제어 장치, 특히 풍력 발전 설비를 위한 인버터(inverter) 및 이러한 인버터를 갖는 풍력 설비에 관한 것이다.

본 명세서의 도입 부분에서 설명한 것과 같은 종류의 측정용 트랜스 (transformer)는 유럽특허 EP 0 194 225호에 공지되어 있다. 이러한 측정용 트랜스의 경우, 자속 측정 소자(magnetic flux measuring element)로서의 기능을 하는 홀 소자(Hall element)의 출력 신호는 증폭되어 상기 2차 권선에 공급된다. 이 때에, 권선의 방향은 생성될 자계가 전류가 흐르는 도선 둘레에 발생하는 자계에 대하여 서로 반대 관계가 되도록 선택된다. 이 경우에, 2차 권선에는 도선에 의해 생성된 자계를 영(zero)으로 하려고 하는 방식으로 증폭기에 의해 전류가 제공된다. 2차 권선의 전류는 도선에 흐르는 전류에 대한 측정값으로서 이용된다. 다시 말해서, 2차 권선의 출력 신호는 순시 전류의 절대값을 제공한다.

본 명세서의 도입 부분에서 설명한 것과 같은 종류이며 또 다른 형태의 측정용 트랜스가 Elektronik Industrie 8 - 2001의 제49쪽 및 제51쪽에 공지되어 있다. 이러한 측정용 트랜스에서도 코일이 환상 철심의 둘레에 다시 감겨지고, 도선을 통해 흐르는 전류는 다시 코일에 전류를 유도한다. 이 유도된 전류는 홀 소자에 의해 검출된 가능한 편차에 중첩되고, 그 결과 도선에 흐르는 전류에 대한 측정값으로서의 절대값을 다시 제공한다. 그러나, 이러한 측정용 트랜스에서는 유도된 전류의 주 성분이 2차 권선을 통해 다시 흐르는 것에 주의하여야 한다. 홀 소자와 증폭기를 조합하여 사용함으로써 도선에 흐르는 전류의 각각의 성분 비율을 검출하며, 환상 철심 상의 2차 권선은 이를 검출할 수 없다.
본 명세서의 도입 부분에 개시된 것과 같은 측정용 트랜스는 유럽특허 EP 0 580 473 A1에도 공지되어 있다. 유럽특허 EP 0 157 054 A에는 호에는 2개의 암페어 턴이 환상 철심 상에 배치된 오류 전류 보호 스위치가 개시되어 있다. 환상 철심의 중간 공간에 배치된 홀 소자의 출력 전압을 기준 전압과 비교하기 위한 비교기가 제공된다. 스위치는 비교기로부터의 출력 전압에 의해 제어된다.
1992년 10월 4일 미국 뉴욕과 1992년 10월 4일 휴스톤의 "Proceedings of the Industry Applications Society Annual Meeting"에서 오가사와라(Ogasawara) 등의 "A Digital Current Sensor for PWM inventers"의 논문의 제1권 949-955쪽, 도 2에 유럽특허 EP 0 194 225호로부터 공지된 측정용 트랜스에 거의 대응하는, 아날로그 전류용의 또 다른 측정용 트랜스가 개시되어 있다.

공지된 측정용 트랜스의 경우, 각각의 출력신호는 도선을 통해 흐르는 순시 전류의 절대값을 제공하기 때문에 무슨 방법으로든 추가의 처리가 필요하다. 다운스트림 방식으로 접속된 비교기에 의해 상기 값은 예컨대, 기준 또는 타겟 값에 비교될 수 있으며, 이는 전류가 상기 언급된 도선을 경유하여 전달되는 인버터(inverter) 등으로부터 제어신호를 유도하기 위한 것이다. 이러한 전류는 쉽게 수백 암페어의 값(순시 피크값은 750 암페어 정도에 매우 완벽하게 도달한다)이 될 수 있기 때문에, 2차 권선은 적절하게 암페어 턴(ampere turns)의 횟수를 높여야 한다. 이 경우, 2차 권선을 흐르는 전류를 낮추게 되면, 이에 따라 암페어 턴의 횟수는 더 높아져야 한다.

그러나, 공지된 구조에는 심각한 단점도 있다. 인덕턴스는 항상 시정수(time constant)를 형성하고 이에 따라 도선에서 흐르는 전류가 급격하게 후속하여 변동이 생기게 할 수 있는 방식을 제한한다. 더 악화되는 상황은 2차 권선 자체의 인덕턴스 (inductance)가 그 자체의 통상적인 유도 특성에 의해 급속한 신호 변경을 불가능하게 하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 언급한 단점들을 개선하고 특히 기준값으로부터의 고주파 편차까지 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 풍력 발전 설비를 위한 인버터에 대해 특히 이용할 수 있는 측정용 트랜스를 제공하는 것이다.

본 발명에 의해 상기 목적은 전류가 흐르도록 된 도선에서 흐르는 전류를 설정하는 기준 전류로 2차 권선 상에서 작용하는 기준 설정 장치가 제공됨으로써 달성된다.

공지된 구조와는 달리, 2차 권선은 자속 측정 소자 또는 이에 접속된 증폭기의 출력에 접속되지 않는다. 그 대신에, 기준 전류가 공급된다. 본 발명에 의해, 자속 측정 소자 또는 이에 접속된 증폭기의 출력은 본 발명의 바람직한 실시예에서 신호 출력으로서 이용이 가능하다. 이상적인 경우로서, 도선에 흐르는 전류는 2차 권선으로 공급되는 기준 전류에 대응함으로써, 그 결과로서의 환상 철심에서의 자속과 자속 측정 소자의 출력에서의 신호가 영(zero)이 된다.

도선에 흐르는 전류가 기준값과 상이하면, 그 값은 환상 철심에서의 결과값으로서의 자속과 자속 측정 소자의 출력에서의 대응 신호가 된다. 이 신호는 2차 권선을 통해 흐르는 전류의 기준값으로부터 도선에 흐르는 전류의 편차에 대한 측 정값이다. 자속 측정 소자와 신호 출력간의 출력 브랜치(branch)에는 인덕턴스가 없기 때문에, 전류의 기준값으로부터의 고주파 편차까지도 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 이에 따라 증폭도 가능하고 출력에 제공될 수 있다. 따라서, 실제값을 전류의 기준값에 가능한 신속하게 그리고 최상의 가능한 방식으로 근접시키기 위해 출력 신호로부터 예컨대 풍력 설비인 인버터에 대한 대응하는 제어 또는 조정 신호를 신속하게 유도하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 측정용 트랜스의 바람직한 구성이 청구범위에 기재되어 있다. 홀 소자는 자속 측정 소자를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 자속 측정 소자의 출력 신호는 신호 출력에서 이용 가능하게 만들어지기 전에 증폭기에 의해 증폭되는 것이 바람직하다.

도선에 흐르는 전류의 절대값을 얻기 위해 기준 전류는 자속 측정 소자 또는 다운스트림 방식으로 접속된 증폭기의 출력 신호에 중첩될 수 있으며, 이러한 중첩은 증폭기(14)의 다운스트림 방식으로 접속된 단에서 가산에 의해 영향을 받는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 측정용 트랜스로 도선을 통해 흐르는 전류를 제어 또는 조정하기 위한 제어 장치로서, 상기 도선에 흐르는 전류를 측정하는 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 측정용 트랜스는 풍력 설비에 사용되는 인버터로서 상기 인버터의 출력 전류를 측정하는데 이용되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명은 청구항 제9항에 기재된 것과 같이 풍력 설비에 관한 것이다.

도1은 공지된 측정용 트랜스를 나타내는 개략도.

도2는 본 발명에 따른 측정용 트랜스를 나타내는 개략도.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도1은 유럽 특허 EP 0 194 225호에서 공지된 측정용 트랜스와 관련하여 이용된 원리를 나타내는 개략도이다. 이 공지된 측정용 트랜스는 먼저 강자성체로 된 환상 철심(10)을 구비하며, 이 철심(core)을 통해 측정 대상인 전류가 흐르는 도선(16)이 연장되어 있다. 홀 소자(12)는 환상 철심(10)의 에어 갭(air gap; 11)에 배치되어 있다. 도선(16)의 둘레를 흐르는 전류에 의해 생성되는 자계에 의해 환상 철심(10)에 자속이 생기게 되고, 이에 따라 홀 소자(12)에도 자속이 생기게 된다. 홀 소자(12)의 출력신호는 증폭기(14)에 공급되며, 이 증폭기의 출력은 환상 철심(10)의 둘레에 권선된 2차 권선(18)에 연결되어 있다.

전류가 2차 권선(18)을 통해 흐르는 경우에도, 자계가 형성된다. 이 경우, 2차 권선(18)의 권선 방향은 이에 대응하는 자계가 도선(16)의 둘레에 있는 자계에 대하여 반대 방향이 되도록 선택된다. 이들 2개의 자계는 서로 상쇄되는데, 즉 환상 철심(10)에 더 이상 자속이 생기지 않게 되고 이에 따라 홀 소자(12)는 2개의 자계가 동일 크기인 경우 더 이상 신호를 생성하지 않는다. 2차 권선(18)이 공지되어 있기 때문에, 흐르는 전류는 도선(16)에 의해 생성된 자계에 대한 측정값, 따라서 도선(16)에 흐르는 전류에 대한 측정값이 된다. 그러므로, 2차 권선(18)의 출력(20)에서 도선(16)에 흐르는 전류에 대한 측정값이 되는 신호를 검출하는 것이 가능하게 된다.

출력(20)에서의 출력신호는 일시적인 전류 흐름의 절대값을 제공하는 그러한 임의의 바람직한 방식으로 더 처리가 진행될 수 있다. 그 값을 예컨대 기준값과 비교할 수 있는 다운스트림 방식으로 접속된 비교기(도시 안됨)에 의해, 예컨대 인터버용의 제어 신호를 유도하기 위해, 전류가 도선(16)을 통해 전달된다.

이러한 전류는 쉽게 몇백 암페어까지 될 수 있기 때문에, 이에 대응하여 2차 권선(18)에서의 암페어 턴의 횟수를 높이는 것이 필요하다. 이 경우, 2차 권선(18)을 통해 흐르는 전류를 낮추게 되면, 이에 따라 암페어 턴의 횟수는 높여야 한다. 이러한 것은 인덕턴스가 항상 시정수를 형성하고 이에 따라 도선(16)에 흐르는 전류에 대해 급격하게 후속하는 고주파 변동을 생기게 할 수 있는 방법을 제한하는 상기 구조에 심각한 단점이 된다. 어려움을 증가시키는 다른 특징은 2차 권선(18) 자체의 인덕턴스가 그 전형적인 유도특성에 의해 신속한 신호 변경을 불가능하게 한다는 것이다.

본 발명에 따른 측정용 트랜스의 실시예가 도2에 개략적으로 도시되어 있다. 이 측정용 트랜스도 마찬가지로 환상 철심(10)을 가지며, 이 철심은 에어갭 (11)이 있는 강자성체를 구비하고, 이 에어갭 내의 자속 측정 소자(12), 예컨대 홀 소자가 배치된다. 홀 소자(12)의 출력 측에 접속된 것은 홀 소자(12)의 전기적 출력신호를 증폭시키는 증폭기(14)이다. 공지된 측정용 트랜스에서 도선(16)은 환형 철심(10)을 통해 신장되므로, 이것을 통해 측정될 전류가 흐르게 된다.

공지된 측정용 트랜스로부터의 출발지점으로서, 2차 권선(18)은 증폭기(14) 의 출력에 접속되지 않는다. 그 대신에 2차 권선(18)은 입력단자(22)를 가지며, 접지에 연결된 다른 단자와 접속된다. 증폭기(14)의 출력은 신호 출력(24)으로서 이용이 가능하다.

그러므로, 공지된 측정용 트랜스에서 2차 권선(18)에는 도선(16)의 자계를 보상하기 위한 전류가 항상 공급되고 도선(16)에 흐르는 전류에 대한 측정을 형성하지만, 본 발명에 따른 2차 권선(18)은 미리 정해진 기준 전류에 의해 작용한다. 이것은 사전설정용 장치(presetting unit)(26)에 의해 입력단자(22)에 적용된다. 이상적인 경우로서, 도선(16)을 흐르는 전류는 기준 전류에 대응하기 때문에 그 결과로서의 환상 철심(10)에서의 자속은 영(zero)이 되고, 홀 소자(12)의 신호는 영이 되며, 이에 따라 출력(24)에서는 신호가 존재하지 않게 된다.

만일 도선(16)에 흐르는 전류가 기준값으로부터 벗어난다면, 그 결과로서의 환상 철심(10)에서의 자속과 이에 대응하는 홀 소자(12)로부터의 신호는 증폭기(14)에 의해 증폭되어 출력(24)으로 진행하게 된다. 이러한 출력신호는 2차 권선(18)을 통해 흐르는 전류의 기준값으로부터 도선(16)에 흐르는 전류의 편차에 대한 측정값이 된다.

본 발명에 따른 측정용 트랜스가 인버터의 출력 전류, 즉 도선(16)을 통해 흐르는 전류를 측정하는데 이용되는 경우, 기준 전류는 50Hz의 주파수가 된다. 이 결과로 2차 권선(18)에서의 전류의 변화가 매우 느리게 된다. 따라서, 이에 대하여 2차 권선(18)의 인덕턴스는 종속 부분으로서의 기능을 한다.

도선(16)에 흐르는 전류의 변동은 네트워크 반응과 같은 외부 영향에 기인하 여 고주파로 될 수 있다는 것이 중요하다. 그러나 본 발명에 따르면 기준 전류로부터의 고주파 편차가 출력(24)에서 용이하게 검출, 증폭 및 제공될 수 있다고 하더라도, 홀 소자(12), 증폭기(14) 및 출력(24)으로 구성되는 브랜치에서는 인덕턴스가 존재하지 않는다. 따라서, 실제값을 가능하면 신속하게 기준값으로 근접시키기 위하여 제어장치(28)에 의해 출력(24)에서 신호로부터 인버터(도시 안됨)에 대한 신호를 조정하거나 대응하는 제어를 신속하게 유도하는 것이 가능하게 된다.

기준값과 실제값의 비교를 허용하기 위해 비교기가 측정용 트랜스의 다운스트림 방식으로 접속되어야 하는 공지된 구조를 갖는 경우와는 달리, 본 발명에 따른 구조에서의 상기와 같은 비교는 측정용 트랜스에서 이미 달성된다. 환상 철심(10)는 여기에서 홀 소자(12)와 함께 기준값과 실제값간의 차 신호를 계속해서 공급하는 경우에만 홀 소자(12)와 같이 비교기로서 간주될 수 있다.

본 발명에 따른 회로의 출력(24)에서의 차 신호를 아날로그 신호의 형태로 추가 처리되거나 예를 들어 슈미트 트리거에 의해 인터버에 대한 디지털 제어신호로 변환되도록 하는 것이 용이하게 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

도선에 흐르는 전류의 절대값에 대한 측정값은 기준 신호가 증폭기(14)의 출력신호에 중첩된다면 본 발명에 따른 측정용 트랜스에 의해 얻어진다. 그러나 이러한 중첩 신호는 2차 권선(18)에 공급되지 않는다. 이러한 중첩은 증폭기(14)의 다운스트림 방식으로 접속된 단에서 가산에 의해 영향을 받는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에 따른 측정용 트랜스는 인버터의 출력 전류를 측정하기 위한 풍력 설비에서 이용되는 것이 바람직하며, 이와 관련하여 개별 측정용 트랜스가 인버터의 각각의 위상에 대해 이용되는 것이 바람직하다.

Claims

환상 철심(toroidal core; 10)과, 상기 환상 철심에 의해 둘러싸이도록 놓여서 전류가 흐르도록 구성된 도체(16)와, 상기 환상 철심(10) 위에 감아 형성된 2차 권선(18)과, 상기 환상 철심(10) 사이의 갭에 놓여 상기 갭에 발생하는 자계에 반응하도록 구성된 자속 측정 소자(magnetic flux measuring element; 12)로 형성된 자기 회로를 포함하고 도체(16)에 흐르는 전류를 기준 전류(reference current)와 비교하는 측정용 트랜스(measuring transformer)로서,

도체(16) 내에 흐를 전류를 설정하기 위하여 상기 2차 권선(18)에 미리 설정한(pre-defined) 전류로써 인가하기 위한 기준 설정 장치(reference setting unit; 26)를 구비하고, 상기 자속 측정 소자(12)는 상기 도체(16)에 흐르는 전류와 상기 기준 전류 사이의 차이를 나타내는 출력 신호를 발생하도록 구성됨을 특징으로 하는 측정용 트랜스.
제1항에 있어서, 상기 자속 측정 소자(12)는 홀 소자(Hall element)인 것을 특징으로 하는 측정용 트랜스.
제1항에 있어서, 상기 자속 측정 소자(12)의 출력 신호를 증폭하기 위하여 상기 자속 측정 소자(12)의 출력에 증폭기(14)가 접속됨을 특징으로 하는 측정용 트랜스.
제1항에 있어서, 상기 도체(16)를 통해 흐르는 전류가 상기 기준 전류에 근접하도록 상기 도체(16)를 통해 흐르는 전류를 제어 및 조정하는 제어 장치(28)가 제공되는 것을 특징으로 하는 측정용 트랜스.
제1항에 있어서, 상기 자속 측정 소자(12)의 출력 신호와 상기 기준 전류를 중첩하기 위하여, 측정 전류의 절대값을 얻기 위한 수단이 상기 자속 측정 소자(12)의 하단에 연결되어 제공됨을 특징으로 하는 측정용 트랜스.
도체(16)에 흐르는 전류를 측정하기 위한 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 측정용 트랜스를 이용해서 상기 도체(16)에 흐르는 전류를 조절하는 제어 장치.
풍력 발전용 인버터로서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 측정용 트랜스를 이용해서 인버터의 출력 전류를 제어하는 제어 장치를 구비한 풍력 발전용 인버터.
풍력 발전용 인버터로서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 측정용 트랜스를 이용해서 인버터의 출력 전류를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 기준 설정 장치(26)는 상기 인버터의 부품(component part)인 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 인버터.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 측정용 트랜스를 이용해서 인버터의 출력 전류를 제어하는 제어 장치를 포함한 인버터를 구비한 풍력 발전 설비.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 측정용 트랜스를 이용해서 인버터의 출력 전류를 제어하는 제어 장치를 포함하되, 기준 설정 장치(26)가 상기 인버터의 부품인 것을 특징으로 하는 인버터를 구비한 풍력 발전 설비.