KR102104455B1 - 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법 - Google Patents

가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 부하(load)의 전압을 감지하여 전압신호를 출력하는 전압 센서부, 상기 부하로 흐르는 전류를 감지하여 전류신호를 출력하는 전류 센서부, 상기 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 가변 위상 천이기, 상기 전압신호와 상기 전류신호에 대응하는 역률(Power Factor, PF)을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 상기 제1 위상차에서 상기 가변 위상 천이기에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 위상 추정부 및 상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 상기 전압신호 또는 상기 전류신호를 지연시켜 상기 전압신호 또는 상기 전류신호의 위상을 보정하는 위상 보정부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 효과가 있다.

Description

가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CORRECTING PHASE BETWEEN VOLTAGE AND CURRENT SIGNAL OF POWER METER USING VARIABLE PHASE SHIFTER}
본 발명은 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 도 1에 개시된 같이 전자기기에서 소비되는 전력을 측정하기 위한 전력 측정 장치는 전자기기에 입력되는 교류 전압과 소비 전류를 측정하기 위한 전압 센서 및 전류 센서, 센싱된 전압 및 전류 신호를 이용하여 전력을 계산하기 위한 전력 계산부로 구성된다.
이러한 종래의 전력 측정 방식에 따르면, 전압 및 전류 센서로부터 센싱된 신호는 센서의 지연 시간의 차이에 의해 전압 및 전류 신호간의 위상차를 발생시켜 전력 계산부에서 전력을 계산하는데 오차를 발생시키는 문제점이 있다.
다음 수학식 1과 수학식 2는 각각 전압 및 전류 센싱 신호를 나타내고, 수학식 3은 평균 전력을 나타낸다.
Figure 112014110886575-pat00001
Figure 112014110886575-pat00002
Figure 112014110886575-pat00003
수학식 1 내지 수학식 3에서, V 는 센싱 전압의 크기, I 는 센싱 전류의 크기, ω는 센싱되는 교류신호의 각주파수(radial frequency, 2πf), f는 센싱되는 교류신호의 주파수, θ는 센싱 전압과 전류 간의 위상차, T 는 교류신호의 주기, k 는 정수를 나타낸다.
종래의 기술은 센싱된 전압 및 전류 신호간의 위상차를 추정하기 위해 평균 전력 P를 전압의 실효값(Root Mean Square) Vrms 와 전류의 실효값 Irms 로 나누어 역률(Power Factor, PF)을 계산한 후, 위상차를 추정하는 방식을 이용하고 있다.
이를 수식으로 나타내면, 다음 수학식 4 내지 수학식 7과 같다.
Figure 112014110886575-pat00004
Figure 112014110886575-pat00005
Figure 112014110886575-pat00006
Figure 112014110886575-pat00007
그러나 수학식 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, 종래의 방식에 따르면, 역률이 1인 저항성 부하(resistive load)를 사용하여 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하는 경우, 추정된 역률에 작은 오차가 발생하는 경우, 추정된 위상에 큰 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 추정된 역률에 0.1%의 오차가 발생하는 경우, cos-1(0.999)은 2.5626°이기 때문에 추정된 위상에는 2.5626° 만큼의 오차가 발생한다. 하지만, 역률이 0.5인 용량성 부하 또는 유도성 부하를 사용하여 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하는 경우, 추정된 역률에 0.1%의 오차가 발생하는 경우, cos-1(0.499)은 0.0661°이기 때문에 추정된 위상에는 0.0661° 만큼의 상대적으로 작은 오차가 발생한다.
따라서, 전압신호 및 전류신호 간의 위상차가 작은 경우, 역률이 1인 저항성 부하를 이용하여 위상을 추정하는 것보다 역률이 0.5인 용량성 부하 또는 유도성 부하를 사용하여 위상을 추정함으로써, 추정된 위상의 정확도를 높일 수 있다. 이와 같은 이유로 종래 기술은 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하기 위해 유도성 부하 또는 용량성 부하를 사용하여 위상을 추정하기 때문에 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하가 필수적이라는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0042388호(공개일자: 2005년 05월 09일, 명칭: 전원 계측기)
본 발명은 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
보다 구체적으로, 일반적으로 전압 및 전류 센서로부터 센싱된 신호를 이용하여 전력을 측정함에 있어서, 전압 및 전류 센서의 지연시간의 차이는 측정된 전력의 오차를 발생시킨다. 측정된 전력의 정확도를 높이기 위해서는 센싱된 전압 및 전류 신호간의 위상차를 보정해야 되는데, 종래 기술은 위상차를 추정함에 있어서 저항성 부하 외에 유도성 부하 또는 용량성 부하를 사용하여 위상차를 추정하기 때문에 위상차를 추정하는데 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하가 필수적으로 사용되어야 한다. 본 발명은 종래의 이러한 제약사항을 해소하기 위한 것으로서, 가변 위상 천이기를 이용하여 전압 센서가 센싱한 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시킴으로써, 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치는 부하(load)의 전압을 감지하여 전압신호를 출력하는 전압 센서부, 상기 부하로 흐르는 전류를 감지하여 전류신호를 출력하는 전류 센서부, 상기 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 가변 위상 천이기, 상기 전압신호와 상기 전류신호에 대응하는 역률(Power Factor, PF)을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 상기 제1 위상차에서 상기 가변 위상 천이기에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 위상 추정부 및 상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 상기 전압신호 또는 상기 전류신호를 지연시켜 상기 전압신호 또는 상기 전류신호의 위상을 보정하는 위상 보정부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 있어서, 상기 부하는 저항성 부하(resistive load)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 있어서, 상기 가변 위상 천이기는 상기 전압신호를 적분하는 적분기, 상기 적분기의 출력값에 상기 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 제1 승산기, 상기 제1 승산기의 출력값에 상기 가변 위상의 사인값을 승산하는 제2 승산기, 상기 전압신호에 상기 가변 위상의 코사인값을 승산하는 제3 승산기 및 상기 제2 승산기의 출력값과 상기 제3 승산기의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 합산기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 있어서, 상기 가변 위상 천이기는 상기 합산기가 출력하는 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 직류 옵셋 제거기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 있어서, 상기 위상 보정부는 상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 전압 신호 지연값과 전류 신호 지연값을 계산하는 지연 계산부, 상기 전압 신호 지연값에 따라 전압 신호를 지연시키는 전압 신호 지연부 및 상기 전류 신호 지연값에 따라 전류 신호를 지연시키는 전류 신호 지연부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치에 있어서, 상기 지연 계산부는 상기 전압 신호 지연값을 상기 전압 신호 지연부로 전송하거나, 상기 전류 신호 지연값을 상기 전류 신호 지연부로 전송하거나, 상기 전압 신호 지연값을 상기 전압 신호 지연부로 전송하는 동시에 상기 전류 신호 지연값을 상기 전류 신호 지연부로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법은 전압 센서부로부터 저항성 부하(resistive load)의 전압을 감지한 신호인 전압신호를 입력받는 전압신호 입력단계, 전류 센서부로부터 상기 부하로 흐르는 전류를 감지한 신호인 전류신호를 입력받는 전류신호 입력단계, 가변 위상 천이기가 상기 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 가변 위상 천이단계, 위상 추정부가 상기 전압신호와 상기 전류신호에 대응하는 역률을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 상기 제1 위상차에서 상기 가변 위상 천이기에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 위상 추정단계 및 위상 보정부가 상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 상기 전압신호 또는 상기 전류신호를 지연시켜 상기 전압신호 또는 상기 전류신호의 위상을 보정하는 위상 보정단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법에 있어서, 상기 위상 천이 단계는 적분기가 상기 전압 센서부로부터 입력받은 전압신호를 적분하는 적분단계, 제1 승산기가 상기 적분기의 출력값에 상기 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 제1 승산단계, 제2 승산기가 상기 제1 승산기의 출력값에 상기 가변 위상의 사인값을 승산하는 제2 승산단계, 제3 승산기가 상기 전압신호에 상기 가변 위상의 코사인값을 승산하는 제3 승산단계 및 합산기가 상기 제2 승산기의 출력값과 상기 제3 승산기의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 합산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 일반적으로 전압 및 전류 센서로부터 센싱된 신호를 이용하여 전력을 측정함에 있어서, 전압 및 전류 센서의 지연시간의 차이는 측정된 전력의 오차를 발생시킨다. 측정된 전력의 정확도를 높이기 위해서는 센싱된 전압 및 전류 신호간의 위상차를 보정해야 되는데, 종래 기술은 위상차를 추정함에 있어서 저항성 부하 외에 유도성 부하 또는 용량성 부하를 사용하여 위상차를 추정하기 때문에 위상차를 추정하는데 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하가 필수적으로 사용되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 가변 위상 천이기를 이용하여 전압 센서가 센싱한 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시킴으로써, 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전력측정장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력측정장치의 전압 및 전류 신호간의 위상 보정 장치에 포함된 가변 위상 천이기의 구체적인 구성의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법에 가변 위상 천이단계의 구체적인 구성의 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치는 전압 센서부(10), 전류 센서부(20), 가변 위상 천이기(30), 위상 추정부(40) 및 위상 보정부(50)를 포함하여 구성된다.
전압 센서부(10)는 부하(load)의 전압을 감지하여 전압신호를 출력하고, 전류 센서부(20)는 이 부하로 흐르는 전류를 감지하여 전류신호를 출력한다.
본 실시 예에 있어서, 부하는 저항성 부하(resistive load)인 것이 바람직하다. 본 실시 예에서 용량성 부하(capacitive load) 또는 유도성 부하(inductive load)를 사용하지 않고, 저항성 부하를 사용하는 이유 및 그에 따른 효과를 설명하면 다음과 같다.
앞서 수학식 1 내지 수학식 7을 참조하여 역률을 계산하고, 이 역률로부터 전압신호와 전류신호 간의 위상차를 계산하는 종래의 방식을 설명하였다.
수학식 7을 다시 참조하면, 역률이 1인 저항성 부하를 사용하여 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하는 경우, 추정된 역률에 작은 오차가 발생하는 경우, 추정된 위상에 큰 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 추정된 역률에 0.1%의 오차가 발생하는 경우, cos-1(0.999)은 2.5626°이기 때문에 추정된 위상에는 2.5626° 만큼의 오차가 발생한다. 하지만, 역률이 0.5인 용량성 부하 또는 유도성 부하를 사용하여 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하는 경우, 추정된 역률에 0.1%의 오차가 발생하는 경우, cos-1(0.499)은 0.0661°이기 때문에 추정된 위상에는 0.0661° 만큼의 상대적으로 작은 오차가 발생한다.
따라서, 전압신호 및 전류신호 간의 위상차가 작은 경우, 역률이 1인 저항성 부하를 이용하여 위상을 추정하는 것보다 역률이 0.5인 용량성 부하 또는 유도성 부하를 사용하여 위상을 추정함으로써, 추정된 위상의 정확도를 높일 수 있다. 이와 같은 이유로 종래기술은 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하기 위해 유도성 부하 또는 용량성 부하를 사용하여 위상을 추정하기 때문에 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하가 필요한 단점이 있다.
그러나, 본 실시 예는 후술하는 가변 위상 천이기(30)를 추가적으로 적용함으로써, 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고, 저항성 부하를 사용해도, 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는다.
가변 위상 천이기(30)는 전압 센서부(10)가 출력하는 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시킨다.
가변 위상 천이기(30)의 입출력 관계를 수학식 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
Figure 112014110886575-pat00008
수학식 8에서, v(t)=sinωt는 전압 센서부(10)가 출력하는 전압신호로서 가변 위상 천이기(30)의 입력신호이고, vφ(t)=sin(ωt-φ)는 가변 위상 천이기(30)의 출력신호이고, φ는 가변 위상 천이기(30)의 가변 위상이다.
예를 들어, 도 3을 추가적으로 참조하면, 가변 위상 천이기(30)는 적분기(310), 제1 승산기(320), 제2 승산기(330), 제3 승산기(340), 합산기(350) 및 직류 옵셋 제거기(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
적분기(310)는 입력되는 전압신호를 설정된 시간 영역에서 적분하는 기능을 수행한다.
제1 승산기(320)는 적분기(310)의 출력값에 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 기능을 수행한다.
제2 승산기(330)는 제1 승산기(320)의 출력값에 가변 위상의 사인값(sinφ)을 승산하는 기능을 수행한다.
제3 승산기(340)는 전압신호에 가변 위상의 코사인값(cosφ)을 승산하는 기능을 수행한다.
합산기(350)는 제2 승산기(330)의 출력값과 제3 승산기(340)의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 기능을 수행한다. 이 신호가 vφ(t)=sin(ωt-φ)이다.
직류 옵셋 제거기(360)는 합산기(350)가 출력하는 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 기능을 수행한다.
위상 추정부(40)는 전압신호와 전류신호에 대응하는 역률(Power Factor, PF, 수학식 6 참조)을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차(θ)를 계산(수학식 7 참조)하고, 제1 위상차(θ)에서 가변 위상 천이기(30)에서 설정된 가변 위상(φ)을 감산하여 추정 위상차(θ')를 산출하는 기능을 수행한다.
이러한 위상 추정부(40)의 동작을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전력 측정 장치에 저항성 부하를 연결한 후, 전압 센서부(10) 및 전류 센서부(20)의 출력신호를 입력시킨 후, 가변 위상 천이기(30)의 위상을 가변 위상(φ) 만큼 변화시킨다. 위상 추정부(40)는 앞서 설명한 수학식 6을 이용하여 역률을 계산하고, 다음 수학식 9를 이용하여 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정한다.
Figure 112014110886575-pat00009
수학식 9에서, θ'는 위상 추정부(40)의 출력인 추정 위상차이다.
예를 들어, 저항성 부하를 적용한 상태에서, 역률을 0.5로 변화시켜 전압신호 및 전류신호 간의 위상차를 추정하기 위해서는 가변 위상(φ)을 60°로 설정하면 된다.
위상 보정부(50)는 위상 추정부(40)로부터 입력받은 추정 위상차(θ')에 따라 전압신호 또는 전류신호를 지연시켜 전압신호 또는 전류신호의 위상을 보정한다.
이러한 위상 보정부(50)는 지연 계산부(510), 전압 신호 지연부(520) 및 전류 신호 지연부(530)를 포함하여 구성될 수 있다.
지연 계산부(510)는 위상 추정부(40)로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 전압 신호 지연값(Delay_V)과 전류 신호 지연값(Delay_I)을 계산한다.
예를 들어, 이러한 지연 계산부(510)는 전압 신호 지연값(Delay_V)을 전압 신호 지연부(520)로 전송하거나, 전류 신호 지연값(Delay_I)을 전류 신호 지연부(530)로 전송하거나, 전압 신호 지연값(Delay_V)을 전압 신호 지연부(520)로 전송하는 동시에 전류 신호 지연값(Delay_I)을 전류 신호 지연부(530)로 전송하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 1) 전압신호 및 전류신호 간의 위상차인 추정 위상차(θ')가 양의 값인 경우, 지연 계산부(510)가 전압신호를 지연시키기 위한 전압 신호 지연값(Delay_V)을 계산하여 출력하고, 2) 추정 위상차(θ')가 음의 값인 경우, 지연 계산부(510)가 전류신호를 지연시키기 위한 전류 신호 지연값(Delay_I)을 계산하여 출력하도록 구성될 수 있다.
전압 신호 지연부(520)는 전압 신호 지연값(Delay_V)에 따라 전압신호를 지연시켜 위상이 보정된 전압신호를 출력하고, 전류 신호 지연부(530)는 전류 신호 지연값(Delay_I)에 따라 전류신호를 지연시켜 위상이 보정된 전류신호를 출력한다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 추가적으로 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치의 구체적인 동작의 예를 신호 처리의 흐름 순서로 설명한다.
도 4를 추가적으로 참조하면, 단계 S10에서는, 가변 위상 천이기(30)가 전압 센서부(10)로부터 부하(load)의 전압을 감지한 신호인 전압신호를 입력받는 과정이 수행된다.
단계 S20에서는, 위상 보정부(50)가 전류 센서부(20)로부터 부하로 흐르는 전류를 감지한 신호인 전류신호를 입력받는 과정이 수행된다.
단계 S30에서는, 가변 위상 천이기(30)가 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 과정이 수행된다.
이러한 단계 S30에서의 보다 구체적인 동작의 예를 도 5를 추가적으로 참조하여 설명한다.
도 5를 추가적으로 참조하면, 단계 S310에서는, 적분기(310)가 전압 센서부(10)로부터 입력받은 전압신호(v(t)=sinωt)를 설정된 시간 영역 범위에서 적분하는 과정이 수행된다.
단계 S320에서는, 제1 승산기(320)가 적분기(310)의 출력값에 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 과정이 수행된다.
단계 S330에서는, 제2 승산기(330)가 제1 승산기(320)의 출력값에 가변 위상의 사인값(sinφ)을 승산하는 과정이 수행된다.
단계 S340에서는, 제3 승산기(340)가 전압신호에 가변 위상의 코사인값(cosφ)을 승산하는 과정이 수행된다.
단계 S350에서는, 합산기(350)가 제2 승산기(330)의 출력값과 제3 승산기(340)의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호(vφ(t)=sin(ωt-φ))를 출력하는 과정이 수행된다.
단계 S360에서는, 직류 옵셋 제거기(360)가 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 과정이 수행된다.
단계 S40에서는, 위상 추정부(40)가 전압신호와 전류신호에 대응하는 역률(Power Factor, PF, 수학식 6 참조)을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차(θ)를 계산(수학식 7 참조)하고, 제1 위상차(θ)에서 가변 위상 천이기(30)에서 설정된 가변 위상(φ)을 감산하여 추정 위상차(θ')를 산출하는 과정이 수행된다.
단계 S50에서는, 위상 보정부(50)가 위상 추정부(40)로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 전압신호 또는 전류신호를 지연시켜 전압신호 또는 전류신호의 위상을 보정하는 과정이 수행된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기(Variable Phase Shifter)를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법에 가변 위상 천이단계의 구체적인 구성의 예를 나타낸 도면이다. 앞서 기술한 장치에 대한 설명은 이하의 방법에 대한 설명에도 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
도 4 및 도 5를 추가적으로 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법은 전압신호 입력단계(S10), 전류신호 입력단계(S20), 가변 위상 천이단계(S30), 위상 추정단계(S40) 및 위상 보정단계(S50)를 포함하여 구성된다.
전압신호 입력단계(S10)에서는, 가변 위상 천이기(30)가 전압 센서부(10)로부터 부하(load)의 전압을 감지한 신호인 전압신호를 입력받는 과정이 수행된다.
전류신호 입력단계(S20)에서는, 위상 보정부(50)가 전류 센서부(20)로부터 부하로 흐르는 전류를 감지한 신호인 전류신호를 입력받는 과정이 수행된다.
가변 위상 천이단계(S30)에서는, 가변 위상 천이기(30)가 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 과정이 수행된다.
예를 들어, 이러한 가변 위상 천이단계(S30)는 적분단계(S310), 제1 승산단계(S320), 제2 승산단계(S330), 제3 승산단계(S340), 합산단계(S350) 및 직류 옵셋 제거단계(S360)를 포함하여 구성될 수 있다.
적분단계(S310)에서는, 적분기(310)가 전압 센서부(10)로부터 입력받은 전압신호를 적분하는 과정이 수행된다.
제1 승산단계(S320)에서는, 제1 승산기(320)가 적분기(310)의 출력값에 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 과정이 수행된다.
제2 승산단계(S330)에서는, 제2 승산기(330)가 제1 승산기(320)의 출력값에 가변 위상의 사인값을 승산하는 과정이 수행된다.
제3 승산단계(S340)에서는, 제3 승산기(340)가 전압신호에 가변 위상의 코사인값을 승산하는 과정이 수행된다.
합산단계(S350)에서는, 합산기(350)가 제2 승산기(330)의 출력값과 제3 승산기(340)의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 과정이 수행된다.
직류 옵셋 제거단계(S360)에서는, 합산기(350)가 출력하는 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 과정이 수행된다.
위상 추정단계(S40)에서는, 위상 추정부(40)가 전압신호와 전류신호에 대응하는 역률을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 제1 위상차에서 가변 위상 천이기(30)에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 과정이 수행된다.
위상 보정단계(S50)에서는, 위상 보정부(50)가 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 전압신호 또는 전류신호를 지연시켜 전압신호 또는 전류신호의 위상을 보정하는 과정이 수행된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 유도성 부하 또는 용량성 부하와 같이 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하를 사용하지 않고 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 일반적으로 전압 및 전류 센서로부터 센싱된 신호를 이용하여 전력을 측정함에 있어서, 전압 및 전류 센서의 지연시간의 차이는 측정된 전력의 오차를 발생시킨다. 측정된 전력의 정확도를 높이기 위해서는 센싱된 전압 및 전류 신호간의 위상차를 보정해야 되는데, 종래 기술은 위상차를 추정함에 있어서 저항성 부하 외에 유도성 부하 또는 용량성 부하를 사용하여 위상차를 추정하기 때문에 위상차를 추정하는데 고정밀의 위상 변화가 가능한 부하가 필수적으로 사용되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 가변 위상 천이기를 이용하여 전압 센서가 센싱한 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시킴으로써, 저항성 부하만을 사용해도 추정되는 위상의 정확도가 저하되지 않는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부된 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 전압 센서부
20: 전류 센서부
30: 가변 위상 천이기
40: 위상 추정부
50: 위상 보정부
310: 적분기
320: 제1 승산기
330: 제2 승산기
340: 제3 승산기
350: 합산기
360: 직류 옵셋 제거기
510: 지연 계산부
520: 전압 신호 지연부
530: 전류 신호 지연부
S10: 전압신호 입력단계
S20: 전류신호 입력단계
S30: 가변 위상 천이단계
S40: 위상 추정단계
S50: 위상 보정단계
S310: 적분단계
S320: 제1 승산단계
S330: 제2 승산단계
S340: 제3 승산단계
S350: 합산단계
S360: 직류 옵셋 제거단계

Claims (8)

  1. 부하의 전압을 감지하여 전압신호를 출력하는 전압 센서부;
    상기 부하로 흐르는 전류를 감지하여 전류신호를 출력하는 전류 센서부;
    상기 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 가변 위상 천이기;
    상기 전압신호와 상기 전류신호에 대응하는 역률(Power Factor, PF)을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 상기 제1 위상차에서 상기 가변 위상 천이기에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 위상 추정부; 및
    상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 상기 전압신호 또는 상기 전류신호를 지연시켜 상기 전압신호 또는 상기 전류신호의 위상을 보정하는 위상 보정부를 포함하고,
    상기 부하는 저항성 부하(resistive load)이고,
    상기 가변 위상 천이기는
    상기 전압신호를 적분하는 적분기:
    상기 적분기의 출력값에 상기 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 제1 승산기;
    상기 제1 승산기의 출력값에 상기 가변 위상의 사인값을 승산하는 제2 승산기;
    상기 전압신호에 상기 가변 위상의 코사인값을 승산하는 제3 승산기;
    상기 제2 승산기의 출력값과 상기 제3 승산기의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 합산기; 및
    상기 합산기가 출력하는 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 직류 옵셋 제거기를 포함하는, 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 보정부는
    상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 전압 신호 지연값과 전류 신호 지연값을 계산하는 지연 계산부;
    상기 전압 신호 지연값에 따라 전압 신호를 지연시키는 전압 신호 지연부; 및
    상기 전류 신호 지연값에 따라 전류 신호를 지연시키는 전류 신호 지연부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지연 계산부는
    상기 전압 신호 지연값을 상기 전압 신호 지연부로 전송하거나, 상기 전류 신호 지연값을 상기 전류 신호 지연부로 전송하거나, 상기 전압 신호 지연값을 상기 전압 신호 지연부로 전송하는 동시에 상기 전류 신호 지연값을 상기 전류 신호 지연부로 전송하는 것을 특징으로 하는, 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 장치.
  7. 전압 센서부로부터 저항성 부하(resistive load)의 전압을 감지한 신호인 전압신호를 입력받는 전압신호 입력단계;
    전류 센서부로부터 상기 부하로 흐르는 전류를 감지한 신호인 전류신호를 입력받는 전류신호 입력단계;
    가변 위상 천이기가 상기 전압신호의 위상을 가변적으로 천이시키는 가변 위상 천이단계;
    위상 추정부가 상기 전압신호와 상기 전류신호에 대응하는 역률을 계산하고, 계산된 역률에 대응하는 제1 위상차를 계산하고, 상기 제1 위상차에서 상기 가변 위상 천이기에서 설정된 가변 위상을 감산하여 추정 위상차를 산출하는 위상 추정단계; 및
    위상 보정부가 상기 위상 추정부로부터 입력받은 추정 위상차에 따라 상기 전압신호 또는 상기 전류신호를 지연시켜 상기 전압신호 또는 상기 전류신호의 위상을 보정하는 위상 보정단계를 포함하고,
    상기 가변 위상 천이 단계는
    적분기가 상기 전압 센서부로부터 입력받은 전압신호를 적분하는 적분단계;
    제1 승산기가 상기 적분기의 출력값에 상기 전압신호의 각주파수(radian frequency, ω)를 승산하는 제1 승산단계;
    제2 승산기가 상기 제1 승산기의 출력값에 상기 가변 위상의 사인값을 승산하는 제2 승산단계;
    제3 승산기가 상기 전압신호에 상기 가변 위상의 코사인값을 승산하는 제3 승산단계;
    합산기가 상기 제2 승산기의 출력값과 상기 제3 승산기의 출력값을 합산하여 위상 천이된 전압신호를 출력하는 합산단계; 및
    직류 옵셋 제거기가 상기 합산기가 출력하는 위상 천이된 전압신호에 포함된 직류 옵셋 성분(DC Offset component)을 제거하는 직류 옵셋 제거단계를 포함하는, 가변 위상 천이기를 이용한 전력측정장치의 전압신호와 전류신호간의 위상 보정 방법.
  8. 삭제
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