KR101256322B1 - 전류 계측방법 및 이를 이용한 계전기 - Google Patents

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Abstract

전류 계측방법 및 이를 이용한 계전기가 개시된다. 본 발명에 따른 전류 계측방법은 모터로 유입되는 3상 전류의 각 상별 전류를 센싱하는 단계, 기설정된 시간마다 상기 각 상별 전류를 샘플링하는 단계, 및 상기 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하는 단계를 포함한다. 이에 의하여 전류 계측값의 오차를 감소시킴으로써 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Description

전류 계측방법 및 이를 이용한 계전기{CURRENT CALCULATING METHOD AND RELAY USING THE SAME}
본 발명은 전류 계측 방법 및 이를 이용한 계전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제한된 리소스를 이용하면서도 전류 계측의 오차를 최소화할 수 있는 전류 계측 방법 및 이를 이용한 계전기에 관한 것이다.
전자식 과부하 모터 보호 계전기는 교류 전동기의 시동 및 운전 중 발생하는 과전류, 결상, 불평형, 역상, 지락을 설정된 동작 시간에 의해 정확하게 검출하여 교류 전동기를 더욱 확실하게 보호하는 기능을 내장한다.
그리고 위와 같은 고장이 발생하면 고장 원인을 발광 다이오드를 통하여 직관적으로 파악할 수 있어서 트러블 슈팅이 용이하다. 또한 이전의 고장원인을 저장하기 때문에 운전전이나 운전중에 과거의 고장원인을 재확인할 수 있어 유지 및 보수에 용이하다.
또한 모터 기동시 위상이 틀어지거나 고조파가 많이 함유되어 위상판단이 어려워지는 현장 조건에 따라 역상 오동작을 방지하기 위하여 역상기능을 ON/OFF 제어할 수도 있다. 종래의 계전기는 변류기가 전류를 검출하면 제어부는 입력된 2차측 전류를 컨버터로 입력받아 한 주기에 해당되는 전류의 크기를 계산하여 이상 유무를 판단한다. 그리고 이상이 발생하면 상태 표시부에 표시하거나 접점 출력부로 신호를 출력한다. 그러면 교류 전자 접촉기의 조작 코일부 전원 공급이 중단되어 교류 전동기에 공급되는 전력 공급원을 차단하여 전동기의 소손 방지 및 보호가 가능하다.
종래의 기술은 모터로 유입되는 3상 전류의 크기를 계산하는데, 계산된 각 상의 전류값은 최대상 전류와 최소상 전류의 값으로 구분되며 최대상 전류와 최소상 전류의 비를 계산하여 과전류, 불평형, 결상, 역상 기능이 동작하여 트립 동작을 발생시켜 모터를 정지하여 모터의 소손을 미연에 방지한다.
종래의 전자식 모터 보호 계전기의 전류 계산은 한 주기당 일정 수의 샘플을 획득하여 평균을 낸다. 이때 제한된 리소스(limited resource)를 갖는 제어부를 사용하는 경우 그 평균을 계산하는 경우에 절단(truncation)이 발생하게 된다. 이로 인해 전류 계산 값의 선형성이 큰 계단 형식을 띄게 됨에 따라 일정한 전류가 흐름에도 불구하고 전류 계측값의 오차가 크게 보이는 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전류 계측값의 오차를 줄여 신뢰성을 확보할 수 있는 전류 계측 방법 및 이를 이용한 계전기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측방법은 모터로 유입되는 3상 전류의 각 상별 전류를 센싱하는 단계; 기설정된 시간마다 상기 각 상별 전류를 샘플링하는 단계; 및 상기 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하는 단계;를 포함한다.
그리고 상기 샘플링하는 단계는, 한 주기당 16개의 샘플을 획득할 수 있다.
또한 상기 환산하는 단계는, 상기 16개의 샘플을 무빙 에버리지(moving average)하여 전류의 크기를 계산할 수 있다.
그리고 상기 환산된 각 전류값을 최대상 전류와 최소상 전류로 구분하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 최대상 전류 및 상기 최소상 전류의 비를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 전류의 비를 통해 트립 동작의 수행 여부를 결정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 계전기는 직류 전원을 공급하는 조작 전원부; 3상 전류의 값을 검출하여 출력하는 3상 전류 계측부; 정격 전류 및 동작 시간을 설정하기 위한 전류/시간 설정부; 트립 동작 수행시 상기 직류 전원의 공급 여부를 결정하는 접점 출력부; 현재 동작 상태를 표시하는 상태 표시부; 및 상기 3상 전류을 샘플링하고, 상기 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하여 최대상 전류 및 최소상 전류를 도출한 후, 상기 최대상 전류 및 최소상 전류의 비를 이용하여 트립 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고 상기 제어부는, 기설정된 주기마다 각 상별 샘플링을 수행하고, 16개의 샘플링값을 그대로 무빙 에버리지(moving average)한 후, 캘리브레이션 기울기 및 절편을 곱해 실 전류값으로 환산함으로써 최대상 전류 및 최소상 전류를 도출할 수 있다.
또한 상기 현재 동작 상태는,과전류 상태, 결상 상태, 상간 불평형 상태, 역상 상태, 지락 상태를 포함할 수 있다.
그리고 사용자로부터 동작 명령을 입력받기 위한 스위치 입력부;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 상태 표시부는, LCD(Liquid crystal display), LED(Light emittind diode), 7-세그먼트(segment), 램프(lamp) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 구성에 따른 전류 계측 방법 및 이를 이용한 계전기에 의하면, 전류 계측값의 오차를 현저하게 감소시킴으로써 신뢰성 향상이라는 기술적 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계전기의 구성을 나타내는 블로도, 그리고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계전기의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 계전기(100)는 조작 전원부(110), 3상 전류 계측부(120), 전류/시간 설정부(130), 스위치 입력부(140), 제어부(150), 접점 출력부(160) 및 상태 표시부(170)를 포함한다.
조작 전원부(110)는 계전기(100)에 구비되는 각 구성을 동작시키기 위한 전원을 공급하는 기능을 갖는다. 각 구성에 공급되는 전원은 직류전원이며, 따라서 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키기 위한 전류회로 등을 포함할 수 있다.
3상 전류 계측부(120)는 모터로 공급되는 3상(phase) 전류의 값을 계측하고, 이를 전기신호로 변환하는 기능을 갖는다. 이는 변류기(Current Transformer, CT) 및 전류 입력부를 포함할 수 있고, 변류기는 3상 교류 모터에 연결된 3상 전원공급 선로에 직렬 접속되는 1차측 코일(coil)과 1차측 코일보다 많은 권회 수를 가지고 1차측 코일에 흐르는 전류량에 비례하는 소량의 전류값이 유도되어 흐르는 2차측 코일을 가지는 통상적인 변류기로서 3상 교류 모터의 3상에 대응되게 3개로 구성될 수 있다. 그리고 전류 입력부는 변류기의 2차측 코일을 흐르는 전류, 즉 모터에 흐르는 전류값에 비례한 전류를 전압신호로 변환시켜서 출력한다.
전류/시간 설정부(130)는 기준 전류와 상태결정 기준 시간의 설정값을 설정하는 기능을 갖는다. 전류/시간 설정부(130)는 사용자로부터 기준 전류 및 기준 시간을 입력받아 계전기(100)를 동작하기 위한 기준값으로 설정한다. 기준 전류는 결상 여부를 판단하기 위한 상별 최저 기준값 혹은 상간 검출 전류의 허용 기준값 등을 말한다. 그리고 상태결정 기준 시간이란 계전기(100)에 동작과 관련한 기준 시간으로 동작이상으로 판단시 모터의 전원 차단 설정시간과 같은 기준 시간을 의미한다.
스위치 입력부(140)는 사용자로부터 명령을 입력받기 위한 입력 수단의 기능을 갖는다. 스위치 입력부(140)를 통해 입력된 사용자의 명령에 의하여 트립시 복귀할지 여부를 결정하게 된다.
제어부(150)는 3상 전류 계측부(120)에서 계측된 전류를 기초로 실 전류값을 계산하여, 고장(이상) 여부를 판단하는 기능을 갖는다. 즉 제어부(150)는 3상 전류 계측부(120)에서 계측된 전류를 기설정된 시간마다 각 상별 전류를 샘플링하고, 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하게 된다.
구체적인 수치를 들어 설명하면, 약 1.042ms마다 각 상별 전류를 샘플링하게 된다. 60Hz를 기준으로 한 주기에 16개의 샘플을 획득하여, 그 값 자체를 16개 무빙 에버리지(moving average)한 값을 캘리브레이션 기울기 및 절편을 곱해 실전류값으로 환산한다. 여기서 무빙 에버리지(moving average)는 3상 전류값을 샘플링하여 디지털 신호로 처리하여 16번 평균한 값을 계속 움직이면서 샘플링함을 의미한다. 예를 들어 전류 계측 범위가 0.5~6A라면 0.5A에 해당하는 A/D 값과, 6A에 해당하는 A/D값을 계측하여 그 기울기와 절편을 구하여 일차 방정식으로 나타내고 6A이상의 계측값도 이 방정식을 따라서 계측할 수 있도록 캘리브레이션 함을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계전기(100)는 이와 같은 방법을 이용함으로써 계측값 향상 및 프로그램 메모리의 용량을 최소화할 수 있게 된다. 즉 샘플링된 값을 합산하여 평균 내는 과정을 생략함으로써, 실 전류값 환산 계산시에 사용되는 캘리브레이션 기울기의 값을 감소시켜 전류 계측의 오차를 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
한편 제어부(150)는 이렇게 계산된 각 상의 전류값을 최대상 전류 및 최소상 전류 값으로 구분하고, 그 비율을 계산하여 과전류, 불형형, 결상, 역상 여부를 판단한다. 그리고 이를 기초로 트립(trip) 동작을 발생시켜 모터를 정지하고 모터의 소손을 미연에 방지할 수 있게 된다.
접점 출력부(160)는 상기 제어부(150)의 제어에 따라 모터로의 전원 공급 여부를 결정하는 수단으로, 코일의 여자(magnetizing) 혹은 소자(demagnetizing)에 따라 개/폐로되는 접점으로 구성된다.
상태 표시부(160)는 사용자로 하여금 현재 고장 원인을 직관적으로 인식할 수 있도록, 현재 상태를 표시하는 기능을 가진다. 상태 표시부(160)는 LCD(Liquid crystal display), LED(Light emittind diode), 7-세그먼트(segment), 램프(lamp)와 같은 표시 수단으로 구성될 수 있고, 과전류, 결상, 상간 불평형, 역상, 지락 상태를 표시할 수 있다. 예를 들어 해당 상태의 내용을 문자로 표시하거나, 각각의 상태에 대응되는 색을 가진 LED 혹은 램프로 구분하여 표시될 수 있고, 각각의 상태에 대응되는 숫자를 7-세그먼트를 통해 표시될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
우선 모터로 유입되는 각 상(phase)별 전류를 센싱한다(S200). 구체적으로 3상 전류의 값을 계측하고, 이를 전기신호로 변환한다. 이와 같은 과정은 위에서 설명한 3상 전류 계측부(120)에서 이루어질 수 있다. 3상 전류 계측부(120)는 변류기(Current Transformer, CT) 및 전류 입력부를 포함하여할 수 있다.
다음 기 설정된 시간마다 각 상별 전류를 샘플링한다(S210). 구체적인 수치를 들어 설명하면 1.042ms의 주기마다 각 상별 전류를 샘플링하게 된다. 이때 60Hz를 기준으로 하면 한 주기에 16개의 샘플을 획득하게 된다. 다만 이와 다른 주기 혹은 주파수를 기준으로 더 많은 혹은 더 적은 수의 샘플을 획득할 수도 있다. 이는 사용자의 설정에 따라 달라질 수 있다. 도 2와 관련한 설명에 있어서는, 60Hz를 기준으로 16개의 샘플을 확보하는 것으로 설명하고자 한다.
이후 16개의 샘플링이 완료될 때까지 동작을 계속한다(S220). 즉 16개의 샘플링이 완료되지 않은 경우에는(S220-No), 단계 S210으로 돌아가며, 16개의 샘플링이 완료되어 16개의 샘플이 획득된 경우(S220-Yes), 캘리브레이션 기울기 및 절편을 곱한다(S230).
예를 들어 전류 계측 범위가 0.5~6A라면 0.5A에 해당하는 A/D 값과, 6A에 해당하는 A/D값을 계측하여 그 기울기와 절편을 구하여 일차 방정식으로 나타내고 6A이상의 계측값도 이 방정식을 따라서 계측할 수 있도록 캘리브레이션한다. 여기서 획득된 일차방정식의 기울기와 절편을 곱하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 방법은 이와 같은 방법을 이용함으로써 계측값 향상 및 프로그램 메모리의 용량을 최소화할 수 있게 된다. 즉 실 전류값 환산 계산시에 사용되는 캘리브레이션 기울기의 값을 감소시켜 전류 계측의 오차를 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
마지막으로 캘리브레이션 기울기 및 절편을 곱하여 실 전류값으로 환산하여(S240), 전류값을 결정한다. 이렇게 계산된 각 상의 전류값은 최대상 전류 및 최소상 전류 값으로 구분되고, 그 비율은 과전류, 불형형, 결상, 역상 여부를 판단하는 데 기초가 된다.
그리고 이는 트립(trip) 동작을 발생시키기 위한 기준이 되어 모터를 정지하고 모터의 소손을 미연에 방지할 수 있게 된다.
상기한 바에서, 다양한 실시예에서 설명한 각 구성요소 및/또는 기능은 서로 복합적으로 결합하여 구현될 수 있으며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100..................................................계전기
110..................................................조작 전원부
120..................................................3상 전류 계측부
130..................................................전류/시간 설정부
140..................................................스위치 입력부
150..................................................제어부
160..................................................접점 출력부
170..................................................상태 표시부

Claims (10)

  1. 모터로 유입되는 3상 전류의 각 상별 전류를 센싱하는 단계;
    기설정된 시간마다 상기 각 상별 전류를 샘플링하는 단계; 및
    상기 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하는 단계;를 포함하는 전류 계측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는,
    한 주기당 16개의 샘플을 획득하는 것을 특징으로 하는 전류 계측방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 환산하는 단계는,
    상기 16개의 샘플을 무빙 에버리지(moving average)하여 전류의 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는 전류 계측방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 환산된 각 실전류값을 최대상 전류와 최소상 전류로 구분하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 계측방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 최대상 전류 및 상기 최소상 전류의 비를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 전류의 비를 통해 트립 동작의 수행 여부를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 계측방법.
  6. 직류 전원을 공급하는 조작 전원부;
    3상 전류의 값을 검출하여 출력하는 3상 전류 계측부;
    정격 전류 및 동작 시간을 설정하기 위한 전류/시간 설정부;
    트립 동작 수행시 상기 직류 전원의 공급 여부를 결정하는 접점 출력부;
    현재 동작 상태를 표시하는 상태 표시부; 및
    상기 3상 전류을 샘플링하고, 상기 샘플링된 전류값에 대하여 캘리브레이션(calibration) 기울기 및 절편을 곱하여 실전류값으로 환산하여 최대상 전류 및 최소상 전류를 도출한 후, 상기 최대상 전류 및 최소상 전류의 비를 이용하여 트립 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 계전기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기설정된 주기마다 각 상별 샘플링을 수행하고, 16개의 샘플링값을 그대로 무빙 에버리지(moving average)한 후, 캘리브레이션 기울기 및 절편을 곱해 실 전류값으로 환산함으로써 최대상 전류 및 최소상 전류를 도출하는 것을 특징으로 하는 계전기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 현재 동작 상태는,
    과전류 상태, 결상 상태, 상간 불평형 상태, 역상 상태, 지락 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 계전기.
  9. 제 6항에 있어서,
    사용자로부터 동작 명령을 입력받기 위한 스위치 입력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계전기.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 상태 표시부는,
    LCD(Liquid crystal display), LED(Light emittind diode), 7-세그먼트(segment), 램프(lamp) 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 계전기.
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