KR100877450B1

KR100877450B1 - 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기

Info

Publication number: KR100877450B1
Application number: KR1020070101911A
Authority: KR
Inventors: 김장수
Original assignee: 김장수
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-01-07
Also published as: CN101933107A; JP2011501405A; WO2009048198A1; US20100259246A1

Abstract

본 발명은, 피 측정선로가 관통되는 관통구의 개폐가 가능한 전류변성기에 있어서, 상측부의 양단 공극 상에 형성되어 상기 피 측정선로의 전류량을 감지하는 한쌍의 홀소자와, 상기 홀소자의 상부에 배치되어 상기 피 측정선로에 도통되는 전류와 반대 방향의 전류를 유도하여 자성체의 자속밀도를 상쇄시키는 귀환코일을 포함하며, 상기 귀환코일에 흐르는 전류를 계측하는 폐회로 전류측정회로; 상기 폐회로 전류측정회로로부터 계측된 상기 피 측정선로의 전류형상을 상기 전류변성기와 연결된 장비로부터 요구되는 실효치 대비 직류변환신호로 변환하여 출력하는 신호변환회로부를 포함하는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기를 제공한다.

홀소자, 귀환코일, 자성체

Description

관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기{SPLIT SHAPE ClOSED LOOP CURRENT TRANSDUCER}

본 발명은 전류변성기에 관한 것으로, 피 측정선로의 전류량을 실시간으로 계측하고, 계측된 전류를 실효치 대비 비례하는 직류 신호로 변환하여 전달하는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기에 관한 것이다.

전류량 측정은 가정에서 소비 전류량 측정 시 또는, 공장의 수배전반에 장착되어 전원 감시 시에 응용된다.

또한, 전력변환장비, 전원공급기, 무정전전원공급시스템, 인버터 등의 전력 장비에 장착되어 실시간으로 전류량을 계측하여 이상 전류로 인한 장비의 손상을 예방하거나 보다 높은 효율을 얻기 위한 정보로서 활용되기도 하며, 배터리와 전력변환장치를 주로 사용하는 대체에너지발전분야, 전기철도차량, 전기자동차, 선박, 항공분야에 이르기까지 그 사용분야가 매우 광범위하다.

종래 전류 측정을 위한 기술은 저항체를 사용하는 직접측정방식과 전자유도방식을 이용한 C.T(Current Transformer) 및 홀소자를 이용하는 전류센서를 사용하는 간접측정방식으로 구분된다.

직접측정방식을 사용하는 저항체는 피 측정선로를 절단하고 상기 측정선로 양단에 직접 결선하는 방식으로 피 측정전원과 신호전원을 분리하지 못하는 비 절연방식이며, 높은 전력에서 발생하는 저항체 발열현상으로 오차가 가중되는 문제점이 있으며, 간접측정방식인 전자유도방식을 이용한 C.T(Current Transformer)는 정형파형을 제외한 비정형파 및 전력반도체의 위상제어 파형, 직류/맥류 파형에서는 그 측정오차가 매우 커지거나 측정 자체가 불가능한 문제점이 있다.

이러한 이유로 최근 간접측정방식이면서 직/교류를 구분하지 않고 측정 가능한 홀소자를 이용한 전자식전류측정방식인 전류센서를 사용하는 빈도가 높아지고 있다.

전자식전류측정방식인 홀소자를 이용하는 방법에는 자성체의 자력을 측정하여 자-전변환소자인 홀소자의 출력전압을 단순 증폭하여 출력하는 개회로(Open loop) 전류센서를 이용하는 방식과, 귀환코일을 갖추고 폐회로(Closed loop)를 적용한 폐회로 전류센서를 이용하는 방식으로 나뉘며, 상기 개회로 전류센서 및 C.T 저항체를 사용하는 전류측정 방식은 이미 공지된 기술사항에 불과하다.

그리고 상기 전류측정용 제품으로 측정된 측정신호는 피 측정전원과 동일한 형상이므로 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 전류계측 신호를 활용하는 대부분의 장비와 연결하여 사용하는 경우, 계측된 신호를 장비가 요구하는 지정된 신호로 변환하기 위한 전용의 신호변환기를 추가 설치되어야 하는 불편함이 있었다.

또한, 상기 전류측정용 제품들은 측정 관통구가 분리되지 않거나 선로에 직접 결선해야 하는 이유로 설치와 해체 시, 피 측정선로를 해체하여야 하는 불편함 이 있었다.

그리하여 비정형파 혹은 위상제어된 파형, 직류, 맥류 등 서로 다른 전류 형상에 상기 제품을 사용하기 위해서는 사용자가 전기적 지식을 숙지하고 있어야 하며, 그렇지 못할 경우 높은 오차와 측정 자체를 할 수 없는 문제점이 있었다. 더불어 사용되는 전용의 신호변환기는 평균치회로를 활용하는 근사실효치로 강제 설정된 제품이 많아 주파수나 위상이 다를 경우 계측오차가 크게 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 전류측정용 제품들은 수배전반 등 상용전원의 전류측정에는 CT를, 비정형파, 직류파형이 있는 배터리, 전력변환장비, 전기차량, 등에서의 전류측정을 위해서는 저항체(Shunt) 또는 홀소자를 사용하는 전류센서가 주로 사용되고 있다. 그러나 이 또한 선로를 분리하여 선로에 직접 장착하는 구조 혹은 관통구가 개폐되지 못하거나, 신호변환을 위하여 별도의 신호변환기를 사용해야하는 문제점을 개선하지 못하며, 기존 가설된 선로에서 상기 종래기술 제품을 장착할 경우 선로를 해체하여야 하고, 상용전원, 전력위상제어전원, 직류전원에서는 전류측정용 제품을 달리하여 구성해야 하며, 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 전류계측 신호를 활용하는 대부분의 장비를 연결하여 사용하는 경우, 장비가 요구하는 별도의 신호로 변환하기 위한 전용의 신호변환기를 추가하여 부착해야 하는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 상용전원, 전력위상제어전원, 직류/맥류파형의 전원에서 모두 계측 가능하고, 분리형 구조에서 오는 갭(Gap)의 편차를 무시할 수 있어 높은 정확도를 가진 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 전류 계측 외에 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 장비가 요구하는 형태로의 신호 변환 기능 즉, 직/교류 파형에 구분없이 실효치 대비 직류변환기능을 구비한 폐회로 전류변성기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피 측정선로가 관통되는 관통구의 개폐가 가능한 전류변성기에 있어서, 상측부의 양단 공극 상에 형성되어 상기 피 측정선로의 전류량을 감지하는 한쌍의 홀소자와, 상기 홀소자의 상부에 배치되어 상기 피 측정선로에 도통되는 전류와 반대 방향의 전류를 유도하여 자성체의 자속밀도를 상쇄시키는 귀환코일을 포함하며, 상기 귀환코일에 흐르는 전류를 계측하는 폐회로 전류측정회로; 상기 폐회로 전류측정회로로부터 계측된 상기 피 측정선로의 전류형상을 상기 전류변성기와 연결된 장비로부터 요구되는 실효치 대비 직류변환신호로 변환하여 출력하는 신호변환회로부를 포함하는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 신호변환회로부는, 상기 폐회로 전류측정회로를 통하여 계측된 신호의 시 분할로 미분된 파형을 교차 스위칭하여 ΔΣ적분회로에서 다중 적분방식을 통해 실효치 대비 직류신호를 계산하여 출력하는 실효함수계산회로와, 상기 실효함수계산회로를 통하여 출력된 직류신호를 증폭하여 출력하는 직류신호증폭회로를 포함할 수 있다.

또한, 상기 홀소자의 입출력 패턴이 상기 귀환코일의 권선 중앙을 통과하도록 형성되고, 상기 홀소자는 자속의 방향과 일치되도록 좌우 공극에 형성될 수 있다.

또한, 상기 홀소자의 좌우측 감도를 균일하게 조정하기 위한 보정용 가변저항이 더 형성될 수 있다.

또한, 상기 관통구를 구성하는 상측부와 하측부의 길이 비율이 8:2 또는 9:1로 형성될 수 있다.

또한, 상기 전류변성기는 상측부와 하측부가 경첩부를 중심으로 분리되어 회전 가능할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 전류변성기의 관통구가 폐회로를 구성할 때, 상기 상측부와 하측부를 결합 고정시키는 고정구가 더 형성될 수 있다.

또한, 상기 전류변성기를 프레임 혹은 브라켓에 취부 가능하도록 취부용 나사가 결합되는 너트를 수용하는 취부용 홀이 더 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상용전원, 전력위상제어전원, 직류/맥류파형의 전원에서 모두 계측 가능하고, 분리형 구조에서 오는 갭(Gap)의 편차를 무시할 수 있어 높은 정확도를 가진 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기를 제공한다.

또한, 전류 계측 외에 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 장비가 요구하는 형태로의 신호 변환 기능 즉, 직/교류 파형에 구분없이 실효치 대비 직류변환기능을 구비한 폐회로 전류변성기를 제공한다.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 외형을 도시한 도면, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 조립 분해도, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 내부 분해도, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 구현예이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기는 관통구가 개폐되는 구조를 지니는 외형에 있어서, 분리형으로 형성되는 관통구(100)의 개폐구조를 구현하기 위하여 장치의 상측부(200)와 하측부(300)가 경 첩부(210)를 중심으로 분리되어 회전 가능하고. 상기 상측부(200)와 하측부(300)는 내부 구성요소를 몸체(220, 320)와 덮개(230, 330)가 결합되어 보호하는 구조를 가지고 있다.

보다 상세히, 상기 상측부(200)에서는 상측부(200)와 하측부(300)를 지지하고 개폐 가능하도록 회전 중심을 형성하는 경첩부(210)가 형성되고, 상기 관통구(100)가 폐회로를 구성하도록 상기 상측부(200)와 하측부(300)를 결합 고정시키는 고정구(240)가 형성된다. 또한, 본 발명의 전류변성기를 프레임 혹은 브라켓(400)에 취부 가능하도록 취부용 나사(410)와 이에 결합되는 너트(420)를 수용하고 지지하는 취부용 홀(340)이 추가적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 전류변성기 내부 구성에 대하여 보다 상세히 살펴보면, 피 측정선로(110)의 전류량 감지를 위한 자성체인 홀소자(250)가 상기 상측부(200)의 양 단에 형성되고, 상기 홀소자(250)로부터 감지된 신호를 증폭하고 피 측정전류와 반대방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 귀환루프를 형성하는 전압-전류증폭회로(251)가 형성된다. 보다 상세히, 본 발명의 전류변성기에는 귀환코일(252)이 형성되어 상기 귀환코일(252)로부터 피 측정전류와 반대방향으로 전류가 흐르도록 유도함으로써 자성체의 자속밀도가 '0'이 되도록 하여 피 측정선로(110)에 흐르는 전류량의 다소에 상관없이 측정지점의 자속밀도를 '0'으로 유지시킨다. 이때, 상기 귀환코일(252)에 흐르는 전류를 전류측정 출력신호로 활용한다. 이러한 동작방식은 자성체(350) 특성에 의존하지 않는 장점이 있다.

그리고 상기 관통구(100)에서 폐회로 전류측정(Closed loop Current Sensing)회로가 편심에 의하여 전류측정시 받을 수 있는 영향을 최소화하기 위하여 상기 관통구(100)의 상측부(200)와 하측부(300)의 길이 비율을 8:2 혹은 9:1로 형성함으로써 자성체(350) 공극을 형성하며, 귀환코일(252)을 상측부(200) 좌/우에 균일 배치시키고, 상기 홀소자(250)를 상기 귀환코일(252)의 하단부 즉, 상측부(200) 공극 상에 형성한다.

상기 관통구(100)에서 폐회로 전류측정회로의 측심과 지자기에 의한 전류측정 영향을 최소화하기 위하여 상기 홀소자(250)의 입/출력 패턴을 귀환코일(252)의 권선 중앙을 통과하게 하고 상기 홀소자(250)를 좌/우측에 배치하되 대비되는 방향으로 즉, 자속의 방향과 일치되게 병렬 구조로 좌/우 공극에 형성한다. 또한, 상기 홀소자(250)의 좌/우측 감도를 균일하게 하기 위하여 보정용 가변저항(미도시)을 형성하여 상기 홀소자(250)의 공급전류를 조정할 수 있다.

또한, 상기 귀환코일(252)로 흐르는 전류를 단일공급전원 상에서 구현하기 위하여 공급 전원을 양측으로 분배하는 전원분배회로(253)와 전류측정 출력신호 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압변환 저항(254)을 갖춤으로 폐회로 전류측정회로가 형성된다.

또한, 본 발명의 전류변성기는 상기 폐회로 전류측정회로로부터 측정된 피 측정선로(110)의 전류형상과 동일형상의 측정신호를 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 장비가 요구하는 별도의 신호인 실효치 대비 직류변환신호로 변환하여 제공하기 위해 비정형파에 대한 실효함수계산회로(255)와 계산된 실효값과 대비되는 직류출력신호로 증폭하는 직류신호증폭회로(256)를 갖춘 신호변환회로부가 형성된 다.

본 발명의 전류변성기는 상기 관통구(100)가 개폐되는 구조를 지니는 외형과 전원분배회로(253), 전류-전압변환 저항(254)을 포함하는 폐회로 전류측정회로와 비정형파에 대한 실효함수계산회로(255), 직류신호증폭회로(256)를 갖춘 신호변환회로부가 하나로 통합되어 전류계측 및 변환 기능을 하나의 제품으로 구현할 수 있으며, 기존 가설된 피 측정선로(110)에 장착할 경우, 가설된 선로를 해체하지 않고 전류변성기의 관통구(100)를 개폐하여 손쉽게 설치할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 회로구성도이다.

도 5를 참조하면, 전원분배회로(253)와 전류-전압변환 저항(254)과 폐회로 전류측정회로는 피 측정선로(110)가 관통구(100)를 관통하여 전류가 흐르면 전류량에 비례하는 전자기장이 형성되고 전자기장은 자성체(350)를 자화시켜 자속을 형성하며 자성체(350) 공극에는 발생한 자속밀도만큼 자력이 형성되어 홀소자(250)를 통해 자-전 변환을 이루어낸다.

상기 홀소자(250)의 자-전변환을 통해 발생하는 변환전위는 곧바로 무한대 이론의 전압-전류증폭회로(251)에 전달되며, 상기 전압-전류증폭회로(251)는 순간 증폭출력을 전류성분으로 귀환코일(252)에 전달하게 된다.

상기 귀환코일(252)은 피 측정선로(110)의 전류 흐름과 반대로 권선되어 전류를 흘리고, 이때 자성체(350)의 자속밀도는 순간적으로 '0'을 지향하게 된다. 상기 귀환코일(252)은 피 측정선로(110)를 '1'로 하였을 때, ×N 턴(Turn)의 비율만 큼 전류가 흐르며, 상기 귀환코일(252)에 흐르는 전류는 자속밀도가 '0'인 점을 추종하여 전류량을 형성하고, 귀환코일(252)에 흐르는 전류를 측정전류신호로 활용함으로써 폐회로가 형성되어 피 측정선로에 흐르는 전류량을 계측할 수 있다.

이는 상기 전원분배회로(253)가 상기 귀환코일(252)을 통해 흐르는 전류신호를 상기 전류-전압변환 저항(254)을 거쳐 유입/유출되도록 가상의 전원 기준점을 형성함으로써 단일전원 상에서 이중전원을 구현하여 폐회로 전류측정회로를 형성하기 때문이다.

비정형파에 대한 실효함수계산회로(255)와 직류신호증폭회로(256)를 갖춘 신호변환부는 상기 폐회로 전류측정회로가 계측한 출력신호를 목적하는 출력신호로 변환하기 위한 회로로서 상기 폐회로 전류측정회로에서 계측된 피 측정선로(110)의 전류와 동일형상의 출력신호를 컴퓨터, PLC, 기록장비, 표시장비 등 장비가 요구하는 별도의 신호인 직류변환신호로 변환하여 공급한다. 보다 상세히, 상기 폐회로 전류측정회로의 전류-전압변환 저항(254)에서 만들어진 전류측정신호는 실효함수계산회로(255)를 통해 시 분할로 미분된 파형을 교차 스위칭하여 ΔΣ적분회로에서 다중 적분방식을 통해 실효치 대비 직류신호를 계산하여 출력하며, 직류신호증폭회로(256)를 통해 직류로 변환된 신호를 연결된 장비로부터 요구되는 출력신호 형태인 DC 4~20mA 혹은 DC 1~5V로 증폭하여 출력한다.

본 발명의 분리형 전류변성기 구조에서 계측 오차 없이 전류를 계측하기 위해서는 상측부(200)와 하측부(300)의 분리형 구조에서 발생하는 자성체(350)의 공극 간극이 회로에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 중요하며, 이는 자속밀도가 '0' 을 지향하는 폐회로에서만 실현될 수 있다. 그것은 이득이 피 측정전류량과 비례하는 귀환코일(252)의 턴수비에 의해서 결정되기 때문이다.

본 발명의 전류변성기를 이용하면, 전류 계측 과정이 자성체(350) 특성에 의존하지 않음으로 주파수 특성을 대폭 개선할 수 있어 적용되는 전자회로의 반도체 성능과 자성체 성능에 따라 주파수 대역폭을 최대한 확장할 수 있다. 또한, 측정파형이 직류로부터 수백kHz 대역의 교류까지 제한이 없으며, 측정 파형을 구분하지 않는 점과 진 실효치 대비 직류변환회로를 구비함으로 별도의 신호변성기가 필요치 않고, 그리하여 상기 전기적 특성을 구비한 일체형 기능의 전류변성기를 제공한다는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 외형을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 조립 분해도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 내부 분해도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 구현예.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기의 회로구성도.

Claims

피 측정선로가 관통되는 관통구의 개폐가 가능한 전류변성기에 있어서,

상측부의 양단 공극 상에 형성되어 상기 피 측정선로의 전류량을 감지하는 한쌍의 홀소자와,

상기 홀소자의 상부에 배치되어 상기 피 측정선로에 도통되는 전류와 반대 방향의 전류를 유도하여 자성체의 자속밀도를 상쇄시키는 귀환코일을 포함하며,

상기 귀환코일에 흐르는 전류를 계측하는 폐회로 전류측정회로;

상기 폐회로 전류측정회로로부터 계측된 상기 피 측정선로의 전류형상을 상기 전류변성기와 연결된 장비로부터 요구되는 실효치 대비 직류변환신호로 변환하여 출력하는 신호변환회로부를 포함하는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 신호변환회로부는, 상기 폐회로 전류측정회로를 통하여 계측된 신호의 시 분할로 미분된 파형을 교차 스위칭하여 ΔΣ적분회로에서 다중 적분방식을 통해 실효치 대비 직류신호를 계산하여 출력하는 실효함수계산회로와,

상기 실효함수계산회로를 통하여 출력된 직류신호를 증폭하여 출력하는 직류신호증폭회로를 포함하는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 홀소자의 입출력 패턴이 상기 귀환코일의 권선 중앙을 통과하도록 형성되고, 상기 홀소자는 자속의 방향과 일치되도록 좌우 공극에 형성되는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 홀소자의 좌우측 감도를 균일하게 조정하기 위한 보정용 가변저항이 더 형성되는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 관통구를 구성하는 상측부와 하측부의 길이 비율이 8:2 또는 9:1로 형성되는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 전류변성기는 상측부와 하측부가 경첩부를 중심으로 분리되어 회전 가 능한 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 6항에 있어서,

상기 전류변성기의 관통구가 폐회로를 구성할 때, 상기 상측부와 하측부를 결합 고정시키는 고정구가 더 형성되는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.
제 1항에 있어서,

상기 전류변성기를 프레임 혹은 브라켓에 취부 가능하도록 취부용 나사가 결합되는 너트를 수용하는 취부용 홀이 더 형성되는 관통구 개폐구조를 갖는 폐회로 전류변성기.