KR101237359B1 - 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기, 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치, 계기용 전류변성기형 전류강하기를 적용한 교류전류 측정장치 및 교류전압전류 측정장치 - Google Patents

상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기, 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치, 계기용 전류변성기형 전류강하기를 적용한 교류전류 측정장치 및 교류전압전류 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류전압전류측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기와 교류전류 강하기 및 교류전압측정장치에 대한 것이다. 즉, 상용주파수의 최대 2 kV 및 10 A의 측정범위를 갖는 교류전압전류측정장치에 적용할 수 있는 광범위 교류전압분압기인 전압변성기(potential transformer, PT) 및 전류강하기인 전류 변성기(current transformer, CT)와 그 응용기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 교류입력전압을 인가받는 입력단; 입력단에 연결된 코일이 철심코어에 1차 전압 권선수로 코일이 감겨진 제1전압권선단; 동일한 철심코어에 1차 전압권선수보다 적은 2차 전 압권선수로 코일이 감겨진 제2전압권선단; 및 제2전압권선단에 연결되어 분압된 출력전압을 전압측정장치에 인가하는 출력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전압측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압분압기 그리고, 교류입력전류를 인가받는 입력단; 입력단에 연결되어 철심코어에 1차 전류 권선수로 코일이 감겨진 제1전류권선단; 동일한 철심코어에 1차 전류 권선수보다 많은 2차 전류권선수로 코일이 감겨진 제2전류권선단; 및 제2전류권선단에 연결되어 강하된 출력전류를 전류측정장치에 인가하는 출력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기에 대한 것이다.

Description

상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기, 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치, 계기용 전류변성기형 전류강하기를 적용한 교류전류 측정장치 및 교류전압전류 측정장치{Instrument tranformer type wide range voltage divider and current divider, measuring device including the divider}
교류전압전류 측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기와 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기, 그 교류전압 분압기와 교류전류 강하기를 갖는 교류전압전류측정장치 및 그 측정방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 상용주파수의 최대 2 kV 및 10 A의 측정범위를 갖는 교류전압전류측정장치에 적용할 수 있는 광범위 교류전압분압기인 전압 변성기(potential transformer, PT) 및 전류강하기인 전류 변성기(current transformer, CT)와 그 응용기술에 관한 것이다. 즉, 상용주파수에서 최대 2 kV의 교류전압 및 최대 10 A의 교류전류 범위를 갖는 교류전압 및 전류를 측정하기 위한 교류전압전류측정기에 적용할 수 있는 전압변성기(PT) 및 전류 변성기(CT)의 응용기술에 관한 것이다.
교류 실효치 전압전류 측정장치의 경우 수천 V의 교류입력전압을 측정하기 위해서는 측정회로의 실효치 입력전압 범위 내인 수 V 내로 전압을 강하시켜 측정회로에 인가시켜 주어야 하며, 수 십 A의 교류입력전류를 측정하기 위해서는 측정회로의 실효치 입력전류 범위인 수백 mA 범위로 감소시켜 측정회로에 인가시켜주어야 한다.
현재, 수천 V의 교류전압을 수 V로 감소시키기 위해서 저항형 분압기 및 전기용량형 분압기가 사용되고 있다. 저항형 분압기의 경우 안정도가 우수하지만, 정격전압이 큰 여러 개의 저항을 직렬로 연결하여 사용해야하는데, 여러 개의 고 저항을 직렬로 연결하다보면 저항형 분압기의 크기가 커지고 안정도가 우수한 고 저항소자를 쉽게 구할 수 없는 단점이 있다. 또한, 전기용량형 분압기 역시 정격전압이 수 천 V의 전기용량형 분압기를 만들기 위해서는 크기가 큰 고전압 전기용량기 소자를 활용해야 하는 불편함이 있다.
또한, 수십 A의 교류전류를 수백 mA로 감소시키기 위해서 저항형 전류분류기(resistive current shunt)를 활용할 수 있으나, 안정도가 우수한 분류기용 저항소자를 쉽게 구할 수 없으며, 수십 A의 정격입력전류를 흘릴 경우 가열효과에 의한 저항변화를 정밀하게 평가해야 하는 어려움이 있고, 또한, 안정도가 우수한 정밀한 저항형 분류기는 방열판을 부착하야 하는 등의 이유로 크기가 커져서 계측기의 내부에 부착할 수 없는 단점이 있다.
또한, 이러한 저항형 분압기, 전기용량형 분압기 및 저항형 전류 분류기의 경우 소형화가 어렵고, 온도 및 습도에 영향을 크게 받게 되는 문제가 존재하게 된다.
따라서 온도 및 습도에 영향이 적고, 소형화가 가능한 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기와 계기용 전류 변성기형 교류전류 강하기를 적용한 교류 측정장치가 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 교류전압전류 측정장치에 적용될 수 있는 광범위 교류전압분압기로 전압변성기(PT)를, 교류전류 강하기로 전류변성기(CT)를 사용함으로써 안정도가 매우 우수하고, 온도 및 습도의 영향을 거의 받지 않고 소형으로 제작이 가능한 교류전압전류 측정장치, 측정방법을 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은 상용주파수 교류전압측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기에 있어서, 교류입력전압을 인가받기 위하여, 철심코어에 절연된 코일로 1차 전압 권선수만큼 권선한 1차 권선으로 구성된 1차 전압 입력단; 및 상기 교류입력전압을 디지털교류전압측정회로의 입력에 적합한 크기로 분압하기 위해서 상기 1차 전압권선수보다 적은 2차 전압권선수로 동일한 상기 철심코어에 절연된 코일로 권선한 2차 권선으로 구성된 2차 전압 출력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상용주파수 교류전압측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기로서 달성될 수 있다.
교류입력전압은 2 V ~ 2000 V범위이고, 출력전압은 1 mV ~ 2 V 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.
출력전압에 대한 상기 교류입력전압의 비인 정격전압변환비는 이하의 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112011024372723-pat00001
(여기서, V1은 교류입력전압, V2는 출력전압, Np1은 1차 전압권선수 및 Np2는 2차 전압권선수)
철심코어에 절연된 코일로 1차 측 권선을 감고, 동일한 상기 철심코어에 절연된 코일로 2차 측 권선을 감아서 몰딩 처리하여 제조된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기에 있어서, 교류입력전류를 인가받기 위하여, 철심코어에 절연된 코일로 1차 권선수만큼 권선한 1차 권선으로 구성된 1차 전류 입력단; 디지털교류전류측정회로에 적합한 크기로 강하하기 위해서 상기 1차 권선수보다 많은 2차 권선수로 권선한 2차 권선으로 구성된 2차 전류 출력단; 및 교류출력전류를 교류전압으로 변환하는 기능을 갖는 부담저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기로서 달성될 수 있다.
교류입력전류는 10 mA ~ 10 A 범위이고, 출력전류은 0.1 mV ~ 100 mA 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.
출력전류에 대한 상기 교류입력전류의 비는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112011024372723-pat00002
(여기서, I1은 입력전류, I2는 출력전류, Nc1은 1차 전류 권선수 및 Nc2는 2차 전류 권선수)
상기 철심코어의 일단에 절연된 코일로 상기 1차 측 권선을 감고 동일한 상기 철심코어에 절연된 코일로 상기 2차 측 권선을 감아서 몰딩 처리하여 제조된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 계기용 전압 변성기형 교류전압 분압기와 계기용 전류 변성기형 교류전류 강하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상용주파수 전압전류측정장치에 적용되는 계기용 변성기형 교류전압분압기 및 교류전류 강하기로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치에 있어서, 상기의 교류전압 분압기; 교류전압분압기의 정격전압변환비에 따라 강하된 전압이 출력되는 단계 및 교류전압분압기에서 출력되는 교류전압을 인가받아 직류전압으로 변환하는 실효치/직류 변환기, 아날로그 직류전압을 인가받아 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기를 구성하여 디지털교류전압전류측정회로의 전압입력부에 공급하는 전압측정회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치로서 달성될 수 있다.
본 발명이 제5목적은, 계기용 변성기형 전류 강하기를 적용한 교류전류 측정장치에 있어서, 상기의 계기용 전류변성기형 전류 강하기; 교류전류 강하기기의 정격전류변환비에 따라 강하된 전류가 출력되는 단계; 교류전류 강하기에서 출력되는 교류전류을 교류전류강하기의 2차 측에 연결된 저항에서 전압으로 변환되는 전류/전압변환단계; 전류 강하기의 2차 측에서 변환된 교류 실효치 전압을 직류전압으로 변환하는 실효치/직류 변환 단계, 아날로그 직류전압을 인가받아 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기를 구성하여 디지털교류전압전류측정회로의 전류입력부에 공급하는 단계를 거쳐 전류측정회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 전류변성기형 전류 강하기를 적용한 교류전류 측정장치로서 달성될 수 있다
본 발명의 제6목적은, 상기의 교류류전압 측정장치와 상기의 교류전류 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전압전류 측정장치로서 달성될 수 있다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 최대 2 kV / 10 A 범위를 갖는 상용주파수 교류전압전류측정장치를 위한 전압 변성기 (PT) 및 전류 변성기(CT)를 사용하게 됨으로써, 1 V ~ 2 kV 범위의 60 Hz 교류 입력전압을 전압변성기로 분압한 결과 1 mV ~ 2 V 범위에서 -0.17 % ~ -0.03 %의 출력전압 정확도를 얻을 수 있는 효과가 있다.
이러한 정확도를 갖는 전압분압기는 최대 측정전압이 2 kV이고, 정확도 3 %이하의 교류전압측정장치의 입력회로에 적합한 것으로 판단된다. 종래 저항형 분압기나 전기용량형 분압기를 채용할 경우 크기가 커져서 이동형 교류전압계에 채용하지 않는데 반해 본 발명에 적용되는 전압 변성기는 제작이 용이하고, 소형 경량이며, 1개의 전압변성기로 넓은 범위에서 이동형 교류전압측정회로에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 10 mA ~ 10 A 범위의 60 Hz 교류 입력전류를 전류 변성기(CT)로 강하시킨 결과 0.1 mA ~ 0.1 A 범위에서 -0.17 % ~ -0.02 % 범위의 출력전류 정확도를 얻을 수 있는 효과가 있다. 이러한 정확도를 갖는 전류 변성기(CT)는 최대 측정전류 10 A이고, 정확도 3 %의 교류전류측정기의 입력회로에 적합한 것으로 판단된다.
종래 저항형 분류기는 방열판을 채용할 경우 크기가 커져서 이동형 교류전류계에 채용하지 않는데 반해 본 발명에 의한 전류 변성기(CT)는 제작이 용이하고, 소형 경량이며, 1개의 CT로 넓은 범위에서 이동형 교류전류측정회로에 적용할 수 있는 기술이 본 발명의 가장 큰 장점이다. 정격 1차 전류가 10 A 이상인 전류 변성기(CT)를 활용할 경우에도 위와 같은 장점을 얻을 수 있는 기술이다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기와 전류변성기를 적용한 교류전압전류 측정장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기의 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기의 회로도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압변성기를 적용한 교류전압 측정방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기형 교류전압 분압기의 입력 전압에 대한 측정출력전압과 출력전압 오차를 나타낸 표,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기형 교류전압 분압기의 입력 전압에 대한 측정출력전압과 출력전압 오차 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 교류전류변성기를 적용한 교류전류 측정방법의 흐름도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기형 교류전류 강하기의 입력전류에 대한 측정출력전류와 출력전류 오차를 나타낸 표.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기형 교류전류 강하기의 입력전류에 대한 측정출력전류와 출력전류 오차 그래프를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 상용주파수의 최대 2 kV 및 10 A의 측정범위를 갖는 전압변성기(potential transformer, PT, 10)와 전류변성기(current transformer, CT, 20)를 작용한 교류전압전류측정장치(1)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)와 전류변성기(20)를 적용한 교류전압전류 측정장치(1)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)는 전압변성기(10), 전류변성기(20), 실효치/직류변환기(31-1, 31-2), 아날로그/디지털변환기(32-1, 32-2) 및 계측회로(33)로 구비된 측정회로(30) 그리고 직류전원공급기 및 전압안정기(40) 등을 포함하고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)는 전압변성기(10)에 의해 최대 2 kV인 교류입력전압을 분압하여 2 V 이하로 출력하여 이러한 실효치 전압인 출력전압을 직류전압변환기(RMS/DC Converter, 31-1)에 의해 직류전압으로 변환시킨다. 그리고, 아날로그/디지털 전압변환기(A/D Converter, 32-1)에 의해서는 변환된 직류전압은 디지털 전압으로 변환하게 되고, 이러한 디지털 전압이 계측회로(33)에 공급되게 된다. 따라서, 이러한 계측회로(33)에서 인가된 출력전압을 측정하게 됨으로써 결국 전압변성기(10)에 인가된 교류전압을 측정하게 된다.
또한, 전류변성기(20)에 의해 최대 10 A인 교류입력전류를 강하하여 100 mA 이하로 출력하여 이러한 실효치 전류인 출력전류를 전류변성기(20)의 2차 측에 연결된 부담저항(23)에 의해서 전압으로 변환한다. 즉, 이러한 부담저항(23)은 교류전류 강하기에서 출력되는 출력전류에 비례하는 교류전압을 발생시키는 교류전류/교류전압 변환부에 해당한다.
이 변환된 2 V 이하의 교류전압이 실효치/직류 변환기(RMS/DC Converter, 31-2)에 의해 직류전압으로 변환시킨다. 그리고, 아날로그/디지털 변환기(32-2)에 의해서 디지털 전압으로 변환하게 되고, 이러한 디지털 전압이 계측회로(33)에 공급되게 된다. 따라서, 이러한 계측회로(33)에서 인가된 출력전류를 측정하게 됨으로써 결국 전류변성기(20)에 인가된 교류전류를 측정하게 된다.
즉, 측정회로(30)는 2 kV 이하의 교류전압이나 10 A 이하의 교류전류를 직접측정할 수 없기 때문에 전압변성기(10)와 전류변성기(20)에 의해 2 V 이하의 전압 및 100 mA 이하의 전류로 감소시키기 위해 사용되어 진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)는 직류전원을 공급하고 직류전압을 안정화시키기 위한 직류전원공급기 및 전압안정기(40)를 더 포함하여 안정화된 직류전압을 측정회로(30)에 공급하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치(1)에 적용되는 전압변성기(10)의 구성과 원리를 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)의 회로도를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)는 수천 V의 교류전압을 수 V 정도의 출력전압으로 강하시키기 위해 사용되어 진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)는 입력전압이 인가되는 1차 권선수가 NP1인 전압 입력단(11), 2차 권선수가 NP2인 강하된 전압이 출력되는 출력단(12) 그리고, 출력단(12) 측에 연결된 부담저항(13)를 구비하고 있다.
1차권선수가 NP1이고 2차 권선수가 NP2인 전압변성기(10)에 의하여 전압전류측정기의 입력전압를 교류전압전류 측정회로(30)에 맞는 수 V의 전압으로 만들어서 공급할 수 있다. 예를 들어, 2 kV의 교류입력전압을 수 V의 전압으로 강하시키기 위해서는 다음과 같은 변환원리가 전압변성기(10)에 적용된다. 즉 전압변성기(10)의 입력단(11)으로 입력되는 1차 전압인 입력전압을 V1이라 하고, 출력단(12)에서 출력되는 2차 전압을 V2이라고 하면 이하의 수학식 1과 수학식 2가 성립한다.
Figure 112011024372723-pat00003
Figure 112011024372723-pat00004
여기서, Kp는 정격전압 변환비이다.
이상적인 전압변성기(10)의 경우, 정격 전압 변환비(KP rated voltage transformation ratio)는 수학식 1에서와 같이 1차 전압(V1)과 2차 전압(V2)의 비(V1/V2)와 같으며, 또한 전압변성기(10)의 권선비(NP1/NP2)와 같다. 수학식 2에서와 같이 전압변성기(10)의 1차에 공급되는 전압(V1)은 전압변성기(10)의 2차 전압(V2)과 정격전압 변환비(KP)의 곱으로부터 계산할 수 있다. 즉 측정회로(30)에서 2차측 낮은 출력전압(V2)을 정밀 측정하여 알고 있는 전압 정격 변환비(KP)를 곱하면 교류전압변성기(10)의 1차 전압(V1, 입력전압)을 정확히 계산할 수 있게 된다. 반대로 2차 전압(V2)은 1차 전압(V1)을 정격전압변환비(KP)로 나누어 연산할 수 있다.
예를 들어 전압변성기(10)의 1차(NP1) 및 2차의 권선수(NP2)가 각각 4000 회 및 4 회라면 정격변환비 KP는 1000이므로 2 kV의 입력전압(V1)이 가해질 경우 전압변성기(10)의 2차 전압(V2)은 2 V가 된다. 이와 같이 전압변성기(10)의 정격전압 변환비(KP)를 정확히 알고, 전압변성기(10)의 2차 전압(V2)을 정확히 측정하면 전압변성기(10)의 1차 전압(V1, 교류입력전압)을 정확히 계산할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방법으로 분압된 전압변성기(10)의 2차 전압(V2)인 2 V가 교류전압 측정회로(30)에 공급되어 2 kV인 입력전압(V1)을 측정할 수 있다.
전압변성기(10)는 1차의 높은 입력전압(V1)을 낮은 2차 전압인 출력전압(V2)으로 변환하여, 출력전압(V2)을 정밀측정하고 교류전압의 정격전압 변환비(KP)를 곱하여 1차 전압(V1)을 계산하여 고전압인 입력전압(V1)을 측정할 수 있게 된다.
일반적인 전압변성기(10)의 2차 정격전압은 110 V로 고정되어 있으며, 1차 정격전압은 측정범위에 따라서 110 V ~ 765 kV 범위이다. 또한, 전압변성기(10)는 투자율이 큰 토로이달 형태의 철심코어에 정격전압 변환비(KP)의 오차가 작도록 절연이 우수한 코일로 1차 및 2차 측을 특수한 방법으로 권선하고 몰딩하기 때문에 정격전압 변환비(KP)가 온도 및 습도의 영향을 받지 않으며, 따라서 정격전압 변환비(KP)의 장기안정도가 우수한 장점을 갖기 때문에 교류 고전압의 초정밀 측정기로 활용될 수 있다.
앞서 언급한 1차 전압 권선수(NP1)와 2차 전압 권선수(NP2)는 바람직한 하나의 실시예를 제시한 것일 뿐 이에 한정하여 권리범위를 해석하여서는 안 된다. 다른 실시예에서는 1차 전압 권선수(NP1)를 8000회 2차 전압 권선수(NP2)를 8회, 또는 1차 전압 권선수(NP1)를 2000회 2차 전압 권선수(NP2)를 2회 하여 정격전압변환비(KP)를 1000으로 구성할 수도 있고, 기타 권선비를 측정회로(30)가 정밀하게 측정할 수 있는 범위에 따라 다양하게 설정가능할 것이다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)에 적용되는 전류변성기(20)의 구성 및 원리에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기(20)의 회로도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기(20)는 입력전류가 인가되는 1차 권선수가 NC1 인 전류 입력단(21), 2차 권선수가 NC2인 강하된 전류가 출력되는 출력단(22) 그리고, 출력단(22) 측에 연결된 전류를 전압으로 변환시키는 부담저항(23)을 구비하고 있다.
예를 들어, 50 A의 교류입력전류(I1)를 수백 mA의 출력전류(I2)로 낮추기 위해서는 다음과 같은 전류변성기(20)의 변환원리가 적용된다.
즉, 전류변성기(20)의 1차측 전류(I1, 입력전류)와 2차측 전류(I2, 출력전류)를 각각 I1 및 I2 라고 하면 이하의 수학식 3과 수학식 4가 성립한다.
Figure 112011024372723-pat00005
Figure 112011024372723-pat00006
여기서, Kc는 정격전류 변환비이고, Nc1는 1차 측에 감겨진 권선수이고, Nc2는 2차측 에 감겨진 권선수이다.
이상적인 전류변성기(20)의 경우 정격 전류 변환비(KC , rated current transformation ratio)는 수학식 3에서 보는 바와 같이 1차 전류(입력전류, I1)와 2차 전류(출력전류, I2)의 비(I1/I2)와 같고, 또한 전류 변성기(20)의 권선비(NC2/NC1)에 반비례하게 된다.
수학식 4에서와 같이 전류변성기(20)의 입력단(21)에 공급되는 입력전류(I1)는 전류변성기(20)의 출력단(22)으로 출력되는 출력 전류(I2)와 정격전류 변환비(KC)의 곱으로부터 계산할 수 있다. 즉 2차 측의 작은 출력전류(I2)를 정밀 측정하여 알고 있는 정격 전류 변환비(Kc)를 곱하면 전류변성기(20)의 1차 전류인 입력전류(I1)를 정확히 계산할 수 있다. 또한, 반대로 2차 전류인 출력전류(I2)는 1차 전류인 입력전류(I1)를 Kc로 나누어 얻을 수 있다.
예를 들어 전류 변성기(20)의 1차측에 감겨진 권선수(Nc1)가 10회이고 2차측에 감겨진 권선수(Nc2)가 1000 회라면 정격 전류 변환비(KC)가 100이 된다. 따라서, 예를 들어, 10 A의 입력전류(I1)가 입력단(21)으로 가해질 경우, 전류변성기(20)의 출력단(22)으로 출력되는 2차 전류(출력전류, I2)는 100 mA가 된다.
이와 같이 전류변성기(20)의 정격 전류 변환비(Kc)를 정확히 알고, 전류변성기(20)의 2차 전류(I2)를 정확히 측정하면, 전류변성기(20)의 1차 전류(I1)를 정확히 측정할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방법으로 감소시킨 수백 mA정도의 출력 전류(I2)가 교류전류 측정회로(30)에 공급되어 수십 A 정도의 교류 입력전류(I1)를 측정할 수 있게 된다.
즉, 전류 변성기(20)는 입력단(21)으로 인가되는 수십 A 이하의 큰 입력전류(I1)를 측정회로(30)의 100 mA 이하의 출력전류(I2)로 변환하여, 측정회로(30)에서 이러한 출력전류(I2)를 정밀측정하고, 설정된 정격전류 변환비(Kc)를 곱하여 입력전류(I1)를 계산하기 위해 적용되어 진다.
또한, 전류 변성기(20)는 철심코어에 절연이 우수한 코일로 권선하고 몰딩 처리하기 때문에 전류변성기(20)의 정격전류 변환비(KC)가 온도 및 습도의 영향을 작게 받으며, 따라서 변환비(KC)의 장기안정도가 우수한 장점을 갖기 때문에 교류 대 전류의 초정밀 측정기로 활용될 수 있다.
앞서 언급한 1차 전류 권선수(NC1)와 2차 전류 권선수(NC2) 바람직한 하나의 실시예를 제시한 것일 뿐 이에 한정하여 권리범위를 해석하여서는 아니 된다. 다른 실시예에서는 1차 전류 권선수(NC1)를 5회 2차 전류 권선수(Nc2)를 500회 또는 1차 전류 권선수(NC1)를 20회 2차 전류 권선수(Nc2)를 2000회로 하여 정격전류변환비(Kc)를 100으로 구성할 수도 있고, 기타 권선비를 측정회로(30)가 정밀하게 측정할 수 있는 범위에 따라 다양하게 설정가능할 것이다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)를 이용한 교류전압 측정방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)를 적용한 교류전압 측정방법의 흐름도를 도시한 것이다. 먼저, 측정하고자 하는 교류입력전압(V1)이 전압변성기의 입력단으로 공급된다(S10-1).
그리고, 전압변성기(10)에서 정격전압변환비(Kp)에 따라 전압강하된 출력전압(V2)이 출력단(12)으로 출력되게 된다(S20-1). 전압강하의 원리는 앞서 설명한 전압변성기(10)의 작동원리와 같다.
다음, 출력전압(V2)이 실효치/직류 변환기(31-1)에 의해 직류전압으로 변환되고(S30-1), 직류전압이 아날로그/디지털전압 변환기(32-1)에 의해 디지털 전압으로 변환된다(S40-1). 그리고, 변환된 디지털 전압이 교류전압전류계측회로(33)에 공급되어 출력전압(V2)을 정밀하게 측정하게 된다(S50-1).
그리고 출력전압(V2)에 알고 있는 정격전압변환비(Kp)를 곱하여 교류입력전압을 연산하여 교류입력전압 측정하게 된다(S60-1).
도 5는 본 발명인 전압변성기형 교류전압 분압기의 실험예에 따른 입력전압에 대한 측정출력전압과 출력전압 오차를 나타낸 표를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실험예에서 왼쪽 첫 번째 항은 전압변성기(10)의 입력단(11)으로 인가되는 입력전압(V1, 단위 V)이고, 두 번째 항은 입력전압을 정격 전압 변환비(KP)인 1000으로 나눈 이론적인 계산 값(정격출력전압, V)으로써 변환비의 오차가 없는 이상적인 전압변성기(10)의 출력전압이다. 또 세 번째 항은 전압변성기(10)의 출력단(12)에서 측정된 출력전압(V2)이며, 마지막 네 번째 항은 실제 측정출력전압(V2)의 이론적인 정격출력전압에 대한 오차를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 최대 2 kV인 전압변성기(10)의 입력전압(V1)에 따른 출력전압(V2)의 특성 및 정확도를 알 수 있다. 실험예의 최소 입력전압은 1 V 이며 전압변성기(10)의 변환비(Kp)가 1000이 되도록 제작하였으므로 이때의 정격출력전압은 1 mV이고, 실험예의 최대 입력전압은 2 kV이므로 이때의 정격출력전압은 2 V이다.
즉 2 V가 교류전압전류측정회로(30)에 입력되는 최대전압이 된다. 변환오차가 없는 이상적인 전압변성기(10) 라면 입력전압(V1)이 수 V 정도로 작더라도 출력전압(V2)이 정격출력전압과 동일하여야 하지만 철심 투자율의 제한으로 낮은 전압의 경우 오차가 증가하고 있음을 볼 수 있다. 입력전압(V1)이 증가하면서 오차가 감소하며, 최대오차가 약 - 0.3 % 이므로 입력전압범위 1 V ~ 2 kV에서 정확도는 3 % 이하인 고전압 교류전압교류측정장치(1)의 교류전압분압기로 활용될 전압변성기(10)의 정확도는 충분한 것으로 판단된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전압변성기(10)의 실험예에 따른 입력전압과 출력전압 그래프를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 각 지점을 정사각형으로 나나타낸 그래프는 입력전압(V1)에 따른 측정된 출력전압(V2)을 나타낸 것이고, 각 지점을 원형으로 나타낸 그래프는 입력전압(V1)에 따른 출력전압(V2)의 정확도 즉, 측정 출력전압(V2)의 이론적 정격 출력전압과의 오차(Output Voltage Error (%))를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 입력전압이 높아질수록 오차가 줄어드는 것을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 교류전압전류 측정장치(1)를 이용한 교류전류 측정방법에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기(20)를 적용한 교류전류 측정방법의 흐름도를 도시한 것이다. 먼저, 측정하고자 하는 교류입력전류(I1)가 전류변성기(20)의 입력단(21)으로 인가된다(S10-2).
그리고, 전류변성기(20)에서 정격전류변환비(KC)에 따라 강하된 출력전류(I2)가 출력단(22)으로 출력되게 된다(S20-21). 전류강하의 원리는 앞서 설명한 전류변성기(20)의 작동원리와 같다. 다음, 전류변성기(20)의 교류출력전류에 비례하는 전압이 부담저항(23)에 생성된다. 즉, 교류출력전류에 비례하는 교류전압으로 변환되게 된다(S20-22). 이후의 측정단계는 전압측정단계와 동일하다.
도 8은 본 발명인 전류변성기형 전류강하기의 실험예에 따른 입력전류에 대한 측정출력전류와 출력전류 오차를 나타낸 표이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실험예로 전류 변성기(20)의 입력전류(I1)에 따른 출력전류(I2)의 정확도를 나타낸 것으로, 시험에서 사용한 전류 변성기(20)는 최대 정격 입력전류가 10 A이고, 출력전류가 0.1 A 인 정격전류변환비가 100인 전류변성기(20)를 사용하였다.
여기서 각항의 변수는 도 5에서와 같이, 왼쪽 첫 번째 항은 전류변성기(20)의 입력단(21)으로 인가되는 입력전류(I1, 단위 A)이고, 두 번째 항은 입력전류를 정격 전류 변환비(KC)인 100으로 나눈 이론적인 계산 값(정격출력전류, A)으로써 변환비의 오차가 없는 이상적인 전류변성기(20)의 출력전류이다. 또 세 번째 항은 전류변성기(20)의 출력단(22)에서 측정된 출력전류(I2)이며, 마지막 네 번째 항은 실제 측정출력전류(I2)의 이론적인 정격출력전류에 대한 오차를 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이 입력전류(I1)가 10 mA일 경우 출력전류 오차가 약 - 0.2 % 이하이며, 20 mA ~ 10 A의 입력전류(I1)에 대한 출력전류의 정확도는 - 0.04 % 이하이다. 이와 같은 특성을 갖는 전류 변성기(20)는 입력전류범위 10 mA ~ 10 A에서 정확도 3 % 이하인 교류전압전류측정장치(1)의 교류전류 강하기로 활용될 전류 변성기(20)의 정확도는 충분한 것으로 판단된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전류변성기(20)의 실험예에 따른 입력전류와 출력전류 그래프를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 그래프에서 각 지점을 정사각형으로 나타낸 그래프는 입력전류(I1)에 따른 측정된 출력전류(I2)를 나타낸 것이고, 각 지점을 원형으로 나타낸 그래프는 입력전류(I1)에 따른 출력전류(I2)의 정확도(%)를 나타낸 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 입력전류(I1)가 0.01 A ~ 10 A 범위에서의 오차가 - 0.02 % ~ - 0.17 % 임을 알 수 있다.
1 : 교류전압전류 측정장치
10 : 전압변성기
11 : 전압변성기의 입력단
12 : 전압변성기의 출력단
13 : 전압변성기의 부담저항
20 : 전류변성기
21 : 전류변성기의 입력단
22 : 전류변성기의 출력단
23 : 전류변성기의 부담저항
30 : 측정회로
31-1 : 실효치/직류 변환기(RMS/DC Converter)
31-2 : 실효치/직류 변환기(RMS/DC Converter)
32-1 : 아날로그/디지털전압 변환기(Analog/Digital Converter)
32-2 : 아날로그/디지털전류 변환기(Analog/Digital Converter)
33 : 디지털 교류전압전류 계측회로
40 : 직류전원공급기 및 전압안정기
V1 : 전압변성기의 입력전압, 1차 전압
V2 : 전압변성기의 출력전압, 2차 전압
I1 : 전류변성기의 입력전류, 1차 전류
I2 : 전류변성기의 출력전류, 2차 전류
NP1 : 전압변성기의 1차 권선수
NP2 : 전압변성기의 2차 권선수
NC1 : 전류변성기의 1차 권선수
NC2 : 전류변성기의 2차 권선수

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기에 있어서,
    교류입력전류를 인가받기 위하여, 철심코어에 절연된 코일로 1차 권선수만큼 권선한 1차 권선으로 구성된 1차 전류 입력단;
    상기 1차 권선수보다 많은 2차 권선수로 권선한 2차 권선으로 구성된 2차 전류 출력단; 및
    교류출력전류를 교류전압으로 변환하는 기능을 갖는 부담저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교류입력전류는 10 mA ~ 10 A 범위이고,
    상기 출력전류은 0.1 mV ~ 100 mA 범위인 것을 특징으로 하는 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 출력전류에 대한 상기 교류입력전류의 비는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 상용주파수 교류전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기.
    (수학식 2)
    Figure 112011024372723-pat00008

    (여기서, I1은 입력전류, I2는 출력전류, Nc1은 1차 전류 권선수 및 Nc2는 2차 전류 권선수)
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 철심코어의 일단에 절연된 코일로 상기 1차 측 권선을 감고 동일한 상기 철심코어에 절연된 코일로 상기 2차 측 권선을 감아서 몰딩 처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 전류측정장치에 적용되는 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기.
  9. 삭제
  10. 교류입력전압을 인가받기 위하여, 철심코어에 절연된 코일로 1차 전압 권선수만큼 권선한 1차 권선으로 구성된 1차 전압 입력단과 상기 교류입력전압을 분압하기 위해서 상기 1차 전압권선수보다 적은 2차 전압권선수로 동일한 상기 철심코어에 절연된 코일로 권선한 2차 권선으로 구성된 2차 전압 출력단을 구비하는 상용주파수 교류전압측정장치에 적용되는 계기용 전압변성기형 교류전압 분압기; 및
    상기 교류전압분압기에서 출력되는 출력전압을 인가받아 상기 출력전압을 직류전압으로 변환하는 실효치/직류전압 변환기, 상기 직류전압을 인가받아 상기 직류전압을 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털전압 변환기와 상기 디지털 전압을 인가받는 전압계측회로를 구비하여 상기 출력전압을 측정하는 전압측정회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 전압변성기형 교류전압분압기를 적용한 교류전압 측정장치.
  11. 계기용 전류변성기형 전류 강하기를 적용한 교류전류 측정장치에 있어서,
    제6항의 계기용 전류변성기형 교류전류 강하기;
    상기 교류전류 강하기에서 출력되는 출력전류에 비례하는 교류전압을 발생시키는 교류전류/교류전압 변환부;
    상기 교류전압을 인가받아 상기 교류전압을 직류전압으로 변환하는 실효치/직류전압 변환기; 및
    상기 직류전압을 인가받아 상기 직류전압을 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와 상기 디지털 전압을 인가받는 전압계측회로를 구비하여 상기 출력전류에 비례하는 상기 교류전압을 측정함으로써 상기 전류 강하기에 입력되는 입력전류로 표시하는 측정회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 전류변성기형 전류강하기를 적용한 교류전류 측정장치.
  12. 제10항의 교류전압 측정장치와 제11항의 교류전류 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전압전류 측정장치.
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