KR101203485B1 - 직류전류 측정용 자기센서 - Google Patents

Abstract

강자성체의 자기포화현상을 이용한 직류전류 측정용 자기센서에 관한 것이다. 즉 링 코어의 중앙 구멍을 통하여 흐르는 피측정 직류전류에 의한 자속과 링 코어에 감긴 코일에 흐르는 전류에 의한 자속이 합쳐져 링 코어가 자기포화점에 이르면 코일의 전류가 급격히 증가하는 현상을 이용한 직류전류 측정용 자기센서에 관한 것이다.

Description

직류전류 측정용 자기센서{MAGNETIC SENSOR FOR DC ELECTRIC CURRENT MEASUREMENT}

본 발명은, 직류전류를 측정할 수 있는 자기센서에 관한 것이다. 이 자기센서의 핵심 부분은 도 2와 같은 특성을 갖는 강자성체 링 코어(ring core)와 링 코어에 감긴 코일로 구성되어 있다. 링 코어 중앙의 구멍(hole)으로 측정하고자 하는 직류전류가 흐르는 전선을 관통하게 하여 링 코어에 피측정 직류전류에 의한 직류자속을 발생하게 한다. 이 상태에서 링 코어에 감긴 코일에 구형파 교류전압을 인가하면 코일에 교류전류가 흐르고, 이 교류전류에 의한 교류자속과 피측정 직류전류에 의한 직류자속이 더해지면서 링 코어가 자기적으로 포화되어 코일의 전류가 급격히 증가하는 현상을 이용하여 피측정 직류전류의 크기를 측정한다.

기존의 직류전류 측정용 자기센서도 도 1과 같이 강자성체 링 코어(ring core)와 링 코어에 감긴 코일로 구성되어 있다. 링 코어 중앙의 구멍(hole)으로 전선을 관통하게 하여 측정하려고 하는 직류전류를 흘려서 링 코어에 피측정 직류전류에 의한 직류자속이 발생하게 한다. 이 상태에서 코일에 구형파 교류전압을 인가하면 코일에 교류전류가 흘러 링 코어에 교류자속을 발생 시킨다. 따라서 링 코어에는 피 측정 직류전류에 의한 직류자속과 코일의 교류전류에 의한 교류자속이 동시에 발생하게 되는데 상기 교류자속은 교류전원의 반주기 마다 자속의 방향이 바뀐다.

도 3은 구형파 교류전압(E)과 이 구형파 교류전압(E)에 의하여 코일에 흐르는 전류(I)를 나타낸다. 피측정 직류전류 전선(5)에 직류전류가 흐르지 않을 때는 구형파 교류전압(E)의 극성이 정(+)일 때의 전류(a+)와 극성이 부(-)일 때의 전류(a-)는 극성이 반대이고 크기가 같다.

그런데 피측정 직류전류 전선(5)에 직류전류가 흐르는 경우는 상기의 링 코어에 도 2와 같은 자기포화 현상이 있기 때문에 구형파 교류전압(E)의 극성이 정(+)일 때와 부(-)일 때에 코일(2)에는 크기가 다른 전류(b+)와 전류(b-)가 흐른다. 즉 상기의 직류자속과 교류자속의 방향이 같을 때는 링 코어 내의 자속밀도가 증가하기 때문에 링 코어가 자기적으로 더 포화되어 링 코어에 감긴 코일의 인덕턴스가 감소하여 코일(2)의 전류(b+)는 피측정 직류전류 전선(5)에 직류전류가 흐르지 않을 때의 코일 전류(a+)보다 크게 된다. 반대로 상기의 직류자속과 교류자속의 방향이 반대일 때는 링 코어 내의 자속밀도가 감소하여 링 코어가 자기적으로 덜 포화되기 때문에 링 코어에 감긴 코일의 인덕턴스가 증가하여 코일(2)의 전류(b-)는 피측정 직류전류 전선(5)에 직류전류가 흐르지 않을 때의 코일 전류(a-)보다 적게 된다.

따라서 코일에 구형파 교류전압(E)을 인가하여 교류전압이 정(+)일때의 코일 전류(b+)와 교류전압이 부(-)일때의 코일(2) 전류(b-)와의 차이를 구하여 피측정 직류전류의 값을 측정한다.

위 방법은 링 코어의 자기포화가 비교적 완만하게 생기는 영역에서 적용 되므로 피측정 직류전류에 대한 전류감도가 낮다. 따라서 미소 직류전류 측정에는 적합하지 않다.

위와 같은 문제를 해결하기 위하여 링 코어의 완전 자기포화 영역까지 활용하여 수 mA급 직류전류까지 측정 가능한 자기센서를 발명하게 되었다.

본 발명의 자기센서는 기존의 자기센서와 같이 강자성체 링 코어(ring core)와 링 코어에 감긴 코일로 구성되어 있다. 기존의 자기센서에서는 링 코어의 자기포화가 비교적 완만하게 생기는 영역을 이용하고 있으나 본 발명의 자기센서에서는 링 코어가 완전히 포화되는 영역을 이용하고 있다.

따라서 본 발명의 핵심 과제는 피측정 직류전류가 없을 때 코일의 전류가 자기포화 영역과 자기 비포화 영역의 경계에 있도록 유지시키는 것이다. 그리하여 피측정 직류전류가 흐르면 즉시 코일의 전류가 급격히 증가하도록 하는 것이다.

다음으로 중요한 과제는 피측정 직류전류가 흐르면 코일의 전류가 급격히 증가하는데 이 증가한 전류를 검출하여 피측정 직류전류의 값을 찾아내는 것이다.

본 발명의 과제를 해결하려면 우선 적절한 성능을 갖는 링 코어의 자기재료를 선택한다. 첫째는 비포화 영역에서 투자율이 매우 커야한다. 피측정 직류전류가 수 mA 급이기 때문에 비포화 영역에서 비투자율이 십만 정도 이상이어야 한다. 둘째는 자기포화 영역에서 비투자율은 비포화 영역의 비투자율에 비하여 상대적으로 매우 적어야 한다. 이것은 자기포화영역에서 코일의 인덕턴스가 적어져서 코일의 전류가 급격히 증가하게 하기 위함이다. 셋째는 비포화 영역과 포화 영역의 구분이 뚜렷하여야 한다.

다음으로는 자기센서의 안정성과 선형성을 확보하기 위하여 AD변환부와 DA변환부가 내장된 마이크로 프로세서를 활용한다. 본 발명의 자기센서는 피측정 직류전류가 없을 때에는 자기포화가 발생하지 않고 피측정 직류전류가 흐르기 시작하면 곧 바로 자기포화가 일어나야 하므로 코일에 가해지는 구형파 교류전압의 크기 및 주파수를 정확하게 한다. 그리고 피측정 직류전류의 크기와 자기포화에 의한 코일 전류의 증가분이 정비례하지 않으므로 교정곡선을 이용하여 정비례로 교정한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명의 직류전류 측정용 자기센서는, 피측정 직류전류가 통과할 수 있는 구멍이 있는 강자성체 링 코어; 상기 강자성체 링 코어에 감긴 코일; 상기 코일과 직렬로 연결된 저항; 상기 코일과 저항에 전류를 공급하는 구형파 교류전원; 상기 코일의 피크전류를 검출하기 위한 코일 피크전류 검출기; 검출된 코일의 피크전류에 따라 피측정 직류전류 값을 산출해 내는 피측정 직류전류 출력기; 및 상기 구형파 교류전원, 코일 피크전류 검출기 및 피측정 직류 전류 출력을 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하고, 상기 강자성체 링 코어의 비투자율이 비포화 영역에서 100,000이상이고, 포화 영역에서는 비포화 영역에서와 비교하여 매우 적어서, 상기 비포화 영역과 포화 영역이 뚜렷이 구별된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 마이크로프로세서는 상기 강자성체 링 코어가 상기 피측정 직류전류가 없을 때 자기 포화 직전에 있다가 상기 피측정 직류전류가 흐르면 상기 링 코어가 자기 포화되어 상기 코일의 전류가 급격히 증가하도록 제어한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 마이크로프로세서는 상기 피측정 직류전류가 없을 때 상기 링 코어에 자기 포화가 발생하지 않고 상기 피측정 직규 전류가 흐르기 시작할 때 즉시 자기 포화가 일어나도록 상기 코일에 가해지는 구형파 교류전압의 크기 및 주파수를 제어한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 마이크로프로세서는 AD변환부와 DA변환부를 포함하고 있고, 상기 피측정 직류전류의 크기와 상기 링 코어의 자기 포화에 의한 코일 전류의 증가분이 정비례하도록 교정곡선을 사용하여 상기 피측정 직류전류의 크기와 상기 링 코어의 자기 포화에 의한 코일 전류의 증가분을 교정한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 누설전류 감시장치는 상술된 직류전류 측정용 자기센서를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 누설전류 감시장치는 태양광 발전소에 사용되는 직류 누전차단기 또는 직류 누전경보기, 그리고 전기 자동차 배터리에 사용되는 누설전류 감시기를 포함한다.

본 발명에 의하면, 강자성체 링 코어가 피측정 직류전류가 없을 때 자기 포화 직전에 있다가 상기 피측정 직류전류가 흐르면 링 코어가 자기 포화되어 코일의 전류가 급격히 증가하도록 제어하는 것이 가능하고, 링 코어의 완전 자기포화 영역까지 활용하여 수 mA급 직류전류까지 측정 가능한 자기센서를 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면 자성체의 포화영역을 이용하기 때문에 전류감도가 높으며 구조가 간단하여 가격도 저렴한 자기센서를 제공할 수 있다.

따라서 수 mA에서 작동하는 직류 누전차단기 또는 직류 누전경보기 등 전기안전에 관한 제품의 개발이 활성화 될 수 있다.

도 1은 본 발명 자기센서의 핵심 부분을 나타내는 것으로 피측정 직류전류(Ig)가 통과할 수 있는 구멍이 있는 강자성체 링 코어, 링 코어에 감긴 코일, 코일과 직렬로 연결된 저항, 코일과 저항회로에 전류를 공급하는 구형파 교류전원으로 구성되어 있다.
도 2는 본 발명 자기센서에 사용되는 링 코어의 B-H곡선을 나타낸것으로 ab구간은 비포화 영역으로 고투자율이 요구되고 ab구간 외측은 포화 영역으로 투자율이 낮을수록 좋다.
도 3은 종래 직류전류 측정용 자기센서에서의 코일 전류(I)의 파형을 나타낸다. 실선으로 표시된 전류(a)는 피측정 직류전류가 없는 경우이고 점선으로 표시된 전류(b)는 피측정 직류전류가 있는 경우이다.
도 4는 피측정 직류전류(Ig)가 없을 때의 코일 전류(I)의 파형을 나타낸다. 자기회로가 포화되지 않았기 때문에 코일 전류(I)가 갑자기 증가하는 현상이 나타나지 않고 있다.
도 5는 피측정 직류전류(Ig)가 도 1과 같이 흘러 링 코어에 시계방향의 자속을 발생할 때의 코일 전류(I)의 파형을 나타낸다. 코일 전류(I)의 극성이 정(+)일 때 코일 전류(I)에 의한 자속도 시계방향으로 발생하여 코일 전류(I)가 c점에 도달하였을 때 자기포화가 발생하고 코일 전류(I)가 급격히 증가한다.
도 6은 피측정 직류전류(Ig)가 도 1과 반대로 흘러 링 코어에 반시계방향의 자속을 발생할 때의 코일 전류(I)의 파형을 나타낸다. 코일 전류(I)의 극성이 부(-)일 때 코일 전류(I)에 의한 자속도 반시계방향으로 발생하여 코일 전류(I)가 d점에 도달하였을 때 자기포화가 발생하고 코일 전류(I)가 급격히 증가한다.
도 7은 본 발명의 자기센서의 전체 구성도이다. 구형파 교류전원을 링 코어에 감긴 코일에 인가하여 코일에 전류가 흐르게 한다. 피측정 직류전류(Ig)로 인하여 발생하는 코일 전류(I)의 급격한 변화를 검출하여 피측정 직류전류(Ig)를 측정한다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 직류전류 측정용 자기센서를 개략적으로 도시한 것이다. 링 코어(4)에 코일(2)을 감고 여기에 구형파 교류전원(1)을 통해 구형파 교류전압을 인가한다. 코일(2)에 흐르는 전류를 조정하고 전류를 검출하기 위하여 코일(2)과 직렬로 저항(3)을 연결한다. 링 코어(4) 중앙의 구멍으로는 피측정 직류전류가 흐르는 피측정 직류전류 전선(5)이 관통하고 있다.

도 2는 링 코어(4)의 기자력(H)과 자속밀도(B)의 관계를 나타내는 B-H곡선이다. 이 도면에서 구간 ab는 기자력(H) 증가에 따라 자속밀도(B)가 비례하여 증가하는 비포화 영역이고 구간 ab의 외측은 기자력(H) 증가에 따라 자속밀도(B)의 변화가 완만한 포화 영역이다. 비포화 영역에서는 코일(2)의 인덕턴스가 매우 크고 포화 영역에서는 코일(2)의 인덕턴스가 매우 적다.

도 4는 도 1과 같은 구성에서 피측정 직류전류(Ig)가 없는 상태에서 코일(2)에 구형파 교류전압을 인가한 경우 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 파형을 나타낸다. 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 정(+)일 때는 링 코어(4) 내에 자속이 시계방향으로 발생하고 a점에서 최고치가 된다. 반면 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 부(-)일 때는 링 코어(4) 내에 자속이 반시계방향으로 발생하고 b점에서 최고치가 된다.

코일(2)에 연결된 저항(3)의 값을 조정하여 이 a점과 b점에서의 기자력(H)이 도 2의 a점과 b점에 이르도록 한다. 즉 링 코어(4)가 포화되기 직전에 이르도록 한다. 따라서 코일(2)의 전류(I)가 급격히 변화하지 않고 있다.

도 5는 도 1과 같은 구성에서 피측정 직류전류(Ig)가 화살표 방향으로 흐르는 상태에서 코일(2)에 구형파 교류전압을 인가한 경우 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 파형을 나타낸다. 피측정 직류전류(Ig)가 도 1에서와 같이 화살표 방향으로 흐르면 링 코어(4)에 시계방향으로 자속이 발생하고 또한 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 정(+)이면 링 코어(4)에 시계방향으로 자속이 발생하여 두 개의 자속이 합쳐진다. 따라서 코일(2)의 전류(I)가 도 5의 c점에 이르러 링 코어(4)가 자기적으로 포화가 된다. 링 코어(4)가 포화되면 코일(2)의 인덕턴스가 급격히 감소하여 코일(2)의 전류(I)가 급격히 증가하여 p점에 이른다. 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 부(-)이면 링 코어(4)에 반시계방향으로 자속이 발생하고 피측정 직류전류(Ig)에 의한 자속과 반대방향이 되어 링 코어(4)가 포화되지 않는다. 따라서 코일(2)의 전류(I)는 급격한 변화를 하지 않는다.

도 6은 도 5와 반대로 도 1과 같은 구성에서 피측정 직류전류(Ig)가 화살표의 반대방향으로 흐르는 상태에서 코일(2)에 구형파 교류전압을 인가한 경우 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 파형을 나타낸다. 피측정 직류전류(Ig)가 화살표 반대방향으로 흐르면 링 코어(4)에 반시계방향으로 자속이 발생하고 또한 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 부(-)이면 링 코어(4)에 반시계방향으로 자속이 발생하여 두 개의 자속이 합쳐진다. 따라서 코일(2)의 전류(I)가 도 6의 d점에 이르러 링 코어(4)가 자기적으로 포화가 된다. 링 코어(4)가 포화되면 코일(2)의 인덕턴스가 급격히 감소하여 코일(2)의 전류(I)가 급격히 감소하여 q점에 이른다. 코일(2)에 흐르는 전류(I)의 극성이 정(+)이면 링 코어(4)에 시계방향으로 자속이 발생하고 피측정 직류전류(Ig)에 의한 자속과 반대방향이 되어 링 코어(4)가 포화되지 않는다. 따라서 코일(2)의 전류(I)는 급격한 변화를 하지 않는다.

도 7은 본 발명의 자기센서의 전체 구성도이다. 링 코어 및 코일(6), 구형파 교류전압 발생부(7), 코일 피크전류 검출부(8) 및 피측정 직류전류 출력부(9)로 구성되어 있다. 링 코어 및 코일(6)은 도 1과 같이 링 코어(4), 코일(2) 및 저항(3)으로 구성되어 있다. 구형파 교류전압 발생부(7)는 코일(2)에 인가할 구형파 교류전압을 발생한다. 코일 피크전류 검출부(8)는 저항(3) 양단의 전압을 측정하여 코일 전류(I)의 피크 값을 검출한다. 피측정 직류전류 출력부(9)는 검출된 코일 전류(I)의 피크 값으로부터 사전에 정해 놓은 표를 이용하여 피측정 직류전류(Ig)의 값을 디지털 또는 아날로그 형태로 출력한다. 구형파 교류전압 발생부(7), 피크전류 검출부(8) 및 피측정 직류전류 출력부(9)는 AD변환부와 DA변환부가 내장된 마이크로 프로세서로 구현하였다.

근래에는 태양광 발전소 등 직류를 사용하는 전선로가 급격히 증가하고 있다. 이와 같은 직류 전선로에서의 인체감전 보호 또는 전기화재를 예방하려면 직류 누전차단기가 필요하다. 그런데 기존의 직류 누설전류 센서는 가격이 고가이어서 직류 누전차단기의 보급이 늦어지고 있다. 그러나 본 발명에 의한 자기센서는 자성체의 포화영역을 이용하기 때문에 전류감도가 높으며 구조가 간단하여 가격도 저렴하다. 따라서 수 mA에서 작동하는 직류 누전차단기 또는 직류 누전경보기 등 전기안전에 관한 제품의 개발이 활성화 될 것이다. 그리고 태양광 발전소를 많이 보급하고 있는 독일, 일본 등에 수출도 많이 이루어 질 것이다.

또한 근래에는 전기자동차 등에서 배터리를 많이 사용하고 있는데 이 배터리에서의 누설전류 감시 장치 등에도 본 발명의 자기센서가 많이 사용될 것이다.

1: 구형파 교류전원 2: 코일
3: 저항 4: 강자성체 링 코어
5: 피측정 직류전류 전선

Claims (6)

1. 피측정 직류전류가 통과할 수 있는 구멍이 있는 강자성체 링 코어;
   상기 강자성체 링 코어에 감긴 코일;
   상기 코일과 직렬로 연결된 저항;
   상기 코일과 저항에 전류를 공급하는 구형파 교류전원;
   상기 코일의 피크전류를 검출하기 위한 코일 피크전류 검출기;
   검출된 코일의 피크전류에 따라 피측정 직류전류 값을 산출해 내는 피측정 직류전류 출력기; 및
   상기 구형파 교류전원, 코일 피크전류 검출기 및 피측정 직류 전류 출력을 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하고,
   상기 마이크로프로세서는 상기 강자성체 링 코어가 상기 피측정 직류전류가 없을 때 자기 포화 직전에 있다가 상기 피측정 직류전류가 흐르면 상기 링 코어가 자기 포화되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 직류전류 측정용 자기센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 상기 피측정 직류전류가 없을 때 상기 링 코어에 자기 포화가 발생하지 않고 상기 피측정 직류 전류가 흐르기 시작할 때 즉시 자기 포화가 일어나도록 상기 코일에 가해지는 구형파 교류전압의 크기 및 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류전류 측정용 자기센서.
4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 AD변환부와 DA변환부를 포함하고 있고, 상기 피측정 직류전류의 크기와 상기 링 코어의 자기 포화에 의한 코일 전류의 증가분이 정비례하도록 교정곡선을 사용하여 상기 피측정 직류전류의 크기와 상기 링 코어의 자기 포화에 의한 코일 전류의 증가분을 교정하는 것을 특징으로 하는 직류전류 측정용 자기센서.
5. 제1항, 제3항 또는 제4항중 어느 한항에 따른 직류전류 측정용 자기센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설전류 감시장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 누설전류 감시장치는 태양광 발전소에 사용되는 직류 누전차단기 또는 직류 누전경보기, 그리고 전기 자동차 배터리에 사용되는 누설전류 감시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설전류 감시장치.

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