KR102562009B1 - 대전류 계측 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전류 계측 장치는, 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)을 이용하여 상기 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측하기 위한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)는, 직사각형이고 판상인 아웃트라인을 가지되, 길이방향의 중앙에는 상기 전체전류가 나뉘어져 흐를 브랜치들((3 이상인 홀수개임)를 포함하는 브랜치셋(11)이 형성되도록 하기 위해 짝수개의 분할슬릿(11a,11b)이 폭“‡향으로 배치되며, 상기 분할슬릿(11a,11b)의 전단에는 상기 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 1-1 노치(12a) 및 제 1-2 노치(12b)를 구비하고, 상기 분할슬릿(11a,11b)의 후단에는 상기 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

대전류 계측 장치{High Current Measurement Device}
본 발명은 대전류를 계측하기 위한 대전류 계측 장치에 관한 것이다.
AC 또는 DC의 대전류를 계측하는 방법으로 Shunt 저항을 이용한 방법, 코어 및 권선을 이용한 방법, 코어 및 Hall Effect Sensor를 이용하는 방법등이 있다.
Shunt 저항을 이용하는 방법은 AC/DC 전류가 흐르는 도체에 저항을 삽입하여 저항에서의 전압을 계측하기 때문에 손실과 절연문제가 발생하게 된다. 그리고, 종래 코어 및 권선을 이용하는 방법은 큰 단면을 가진 도체(또는 도체 및 피복)를 둘러싸는 형태로 구성되어야 하므로 코어 사이즈가 커지고 권선수가 많아지게 되는 단점이 있다. 또한, 종래 코어 및 Hall Effect Sensor를 이용한 방법은 AC/DC를 동시에 계측할 수 있지만, 역시 큰 단면을 가진 도체를 둘러싸는 형태로 구성되어야 하므로 코어의 사이즈가 커질 뿐 만 아니라, Hall Effect Sensor를 삽입하는 갭의 크기가 전류 크기에 비례하여 커지며, 그에 따른 정밀도 확보가 어려운 문제가 있다.
본 발명의 목적은 보다 작은 사이즈로써 대전류를 계측할 수 있는 대전류 계측 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전체 전류를 센싱하는 방법을 이용하지 않아도 대전류를 계측할 수 있는 대전류 계측 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 전류 계측 장치는, 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)을 이용하여 상기 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측하기 위한 전류 계측 장치에 있어서,
상기 금속바(10)는, 상기 전체전류가 나뉘어져 흐르는 복수의 브랜치가 이웃하게 배열되어 구성되는 브랜치셋(Branch Set)(11)을 포함하며, 상기 브랜치셋(11)에 포함된 복수의 브랜치 중에서 중앙에 있는 센터 브랜치(11c)에 상기 전류센서모듈(20)가 장착되며, 상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체전류가 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 브랜치셋(11)은, 상기 센터 브랜치(11c); 상기 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s1)을 가지면서 상기 센터 브랜치(11c)의 일 측면에 이웃하여 위치하는 제 1 사이드 브랜치(11s-1); 상기 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s2)을 가지면서 상기 센터 브랜치(11c)의 타 측면에 이웃하여 위치하는 제 2 사이드 브랜치(11s-2);를 포함하여 구성되며, 상기 제 1 사이드 브랜치(11s-1)의 폭(w2)과 상기 제 2 사이드 브랜치(11s-2)의 폭(w3)은 동일한 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 센터 브랜치(11c), 상기 제 1 사이드 브랜치(11s-1) 및 상기 제 2 사이드 브랜치(11s-2)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)는, 외부와의 접속지점과 상기 브랜치셋(11) 사이에 구성되며 상기 전체전류가 집중되어 흐르는 병목부(12,14)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)는, 외부와의 접속을 위해 상기 금속바(10)의 일단에 구성되는 제 1 접속부(13); 상기 제 1 접속부(13)와 상기 브랜치셋(11) 사이에 구성되며, 상기 전체전류가 상기 복수의 브랜치로 분산되기전 집중되어 흐르는 제 1 병목부(12);을 구비하며, 외부와의 접속을 위해 상기 금속바(10)의 타단에 구성되는 제 2 접속부(15); 상기 브랜치셋(11)과 상기 제 2 접속부(15) 사이에 구성되며, 상기 복수의 브랜치를 통해 분산되어 흐른 전체전류가 집중되어 흐르는 제 2 병목부(14);을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)의 길이방향을 따라, 상기 제 1 병목부(12), 상기 센터 브랜치(11c) 및 상기 제 2 병목부(14)는 일직선상에 배치되며 폭방향의 센터에 위치한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 브랜치셋(11), 상기 제 1 접속부(13), 상기 제 1 병목부(12), 상기 제 2 접속부(15), 상기 제 2 병목부(14)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 제 1 병목부(12)와 상기 제 2 병목부(14)에서 각각의 폭은, 상기 브랜치셋(11)에 포함된 모든 브랜치의 폭(w1,w2,w3)을 모두 합산한 것의 1/2 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 전류 계측 장치는, 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)을 이용하여 상기 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측하기 위한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)는, 직사각형이고 판상인 아웃트라인을 가지되, 길이방향의 중앙에는 상기 전체전류가 나뉘어져 흐를 브랜치들((3 이상인 홀수개임)를 포함하는 브랜치셋(11)이 형성되도록 하기 위해 짝수개의 분할슬릿(11a,11b)이 폭“‡향으로 배치되며, 상기 분할슬릿(11a,11b)의 전단에는 상기 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 1-1 노치(12a) 및 제 1-2 노치(12b)를 구비하고, 상기 분할슬릿(11a,11b)의 후단에는 상기 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 제 1-1 노치(12a), 상기 제 1-2 노치(12b), 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)가 상기 직사각형의 장변으로부터 내측으로 들어간 길이(n1,n2,n3,n4)는 모두 동일한 것을 특징으로 한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 짝수개의 분할슬릿(11a,11b)은 길이방향 및 폭방향으로 대칭이며, 상기 브랜치셋(11)에 포함된 브랜치들 중에서 중앙에 위치하는 센터 브랜치(11c)에 상기 전류센서모듈(20)이 장착되며, 상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체전류가 산출된다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 금속바(10)의 일단에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 1 체결홀(13a, 13b)을 구비하며, 상기 금속바(10)의 타단에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 2 체결홀(15a, 15b)을 구비한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 상기 전류센서모듈은, CT(Current Transformer)를 포함하거나 상기 센터 브랜치(11c)를 감싸는 코어를 가진 홀센서(Hall sensor)를 포함한다.
상기한 전류 계측 장치에 있어서, 부분전류와 전체전류 사이의 일대일 대응 관계를 저장하는 교정 테이블을 구비하며, 상기 교정 테이블을 이용하여 상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체 전류를 산출하는 연산부를 더 구비하며, 생산 과정에서 상기 교정 테이블은 캘리브레이션된다.
본 발명의 일 양상에 따르면 전류센서가 센터 브랜치만 관통하는 정도의 크기를 계측하면 되므로, 보다 작은 사이즈로써 대전류를 계측할 수 있으며, 전체 전류를 센싱하는 방법을 이용하지 않아도 대전류를 계측할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면 금속바에서 외부와의 접속지점과 브랜치셋 사이에 구성되며 전체전류가 집중되어 흐르는 병목부를 구비함으로써, 접속지점(접속부위)의 위치에 상관없이 센터 브랜치에는 항상 동일비율의 전류가 흐르도록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면 전류 계측 장치의 금속바는 길이방향을 따라, 병목부 및 센터 브랜치가 일직선상에 배치되고 폭방향의 센터에 위치함으로써, 외부와의 접속지점(접속부위)에 상관없이 일정한 비율의 전류가 센터 브랜치에 흐르도록 하며, 이에 따라 보다 높은 정밀도의 계측이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 장치를 도시한 것이다.
도 2는 병목부(노치)가 적용되지 않은 전류 계측 장치의 예를 도시한 비교예이다.
도 3 내지 도 5는 병목부(노치)가 적용되지 않은 금속바의 전류 흐름 특성을 알아보기 위하여, 외부와의 접속 영역을 몇가지로 상정하여 Flux 3D로 시뮬레이션한 결과이다.
도 6 내지 도 8은 병목부(노치)를 적용한 금속바의 전류 흐름 특성을 알아보기 위하여, 외부와의 접속 영역을 몇가지로 상정하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 9 내지 도 11은 병목부(노치)를 적용하되 병목부의 위치가 센터가 아닌 위쪽으로 있을 때 금속바를 통한 전류 흐름을 시뮬레이션한 결과이다.
도 12 내지 도 14는 병목부(노치)를 적용하되 제 1 병목부는 위쪽에 있고 제 2 병목부는 아래쪽으로 있을 때 금속바를 통한 전류 흐름을 시뮬레이션한 결과이다.
도 15는 실험을 위하여 제작된 금속바 및 전류센서모듈의 시제품을 촬영한 사진이며, 도 16은 도 15의 시제품을 이용하여 외부와의 접속지점(접속부위)을 달리하면서 전류를 측정한 결과를 달리한 그래프로서, 도 16(a)는 선형 스케일로 도시한 그래프이고 도 16(b)는 로그 스케일로 도시한 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 장치를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 계측 장치는 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)를 포함하여 구성되며, 금속바(10) 및 전류센서모듈(20)를 이용하여 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측한다.
금속바(10)는 공급되는 전력의 경로를 구성하는 동시에 본 발명의 전류 계측 장치를 구성하는 구성요소가 되며, 금속바(10)는 예를 들어, 기존의 버스바이거나 크로스바를 대체하는 것이거나, 분전반 또는 배전반의 전력 경로상에 필요한 기존의 금속 부품을 대체하는 것일 수도 있다.
금속바(10)의 아웃트라인은 직사각형이면서 판상의 모양을 가지며, 전체 전류용량에 따라 일정 두께(t)를 가진다. 금속바(10)는 직사각형이고 판상의 금속에서 분할슬릿(11a,11b)과 노치(12a,12b,14a,14b) 및 체결홀(13a,13b,15a,15b)과 같은 빈공간을 가진다. 금속바(10)의 일측 주면과 그 반대쪽 주면은 선호되기로 모두 평면이다. 금속바(10)는 금형에 의해 제조되거나 직사각형이고 판상인 금속바를 절삭등을 통해 가공함으로써 제조될 수 있다.
금속바(10)에서 길이방향(L)의 중앙에는 짝수개, 선호되기로는 2개의 분할슬릿(11a,11b)이 폭“‡향(W)으로 배치되는데, 2개의 분할슬릿(11a,11b)은 센터 브랜치(11c)를 중심으로 하여 그 옆의 양쪽으로 배치된다. 2개(짝수개)의 분할슬릿(11a,11b)은 센터 브랜치(11c)를 중심으로 폭방향(W)으로 대칭이며, 금속바(10)의 길이방향(L)으로도 대칭이다.
금속바(10)를 통해 흐르는 전체전류는 브랜치들(3 이상인 홀수개로서 선호되기로는 3개임)에 의해 나뉘어져 흐르는데, 센터 브랜치(11c)와 제 1 사이드 브랜치(11s-1) 및 제 2 사이드 브랜치(11s-2)를 포함하는 브랜치셋(Branch Set)(11)을 구성한다. 브랜치셋(11)은 전체전류가 나뉘어져 흐르는 복수의 브랜치가 이웃하게 배열되어 구성되는 것이다.
센터 브랜치(11c)는 브랜치셋(11)에 포함된 복수의 브랜치 중에서 중앙에 있는 것으로서, 센터 브랜치(11c)에 전류센서모듈(20)이 장착된다. 전류센서모듈(20)은 센터 브랜치(11c)에 흐르는 부분전류로부터 금속바(10)에 흐르는 전체전류를 산출하는 데, 부분전류와 전체전류 사이의 대응관계는 미리 정의되어 있으며, 이에 의해 부분전류로부터 전체전류를 구할 수 있다.
전류센서모듈(20)은 그 케이스(23)의 내부에 권선형 CT(Current Transformer)를 포함하거나 센터 브랜치(11c)를 감싸는 코어와 홀센서(Hall sensor)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 홀센서형인 경우 코어의 단절된 간극에는 홀센서가 위치된다. 또한 전류센서모듈(20)은 센싱된 전류 또는 계측된 전류를 전송하기 위한 통신포트(22)와, 통신포트(22)의 탑재를 위한 PCB 기판(21)을 구비할 수 있다. 이외에도 전류센서모듈(20)로서는 이 출원의 기술분야에서 알려진 다른 타입의 전류센서가 채용될 수 있다.
사이드 브랜치(11s-1,11s-2)는 분할슬릿(11a,11b)에 의해 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s1,s2)을 가지면서 센터 브랜치(11c)의 양쪽 측면에 이웃하여 위치한다. 제 1 사이드 브랜치(11s-1)는 제 1 분할슬릿(11a)에 의해 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s1)을 가지면서 센터 브랜치(11c)의 일 측면에 이웃하여 위치한다. 제 2 사이드 브랜치(11s-2)는 제 2 분할슬릿(11b)에 의해 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s2)을 가지면서 상기 센터 브랜치(11c)의 일 측면과는 반대쪽에 있는 타 측면에 이웃하여 위치한다.
브랜치셋(11)에 포함된 브랜치들 중에서 중앙에 위치하는 센터 브랜치(11c)에 전류센서모듈(20)이 장착되는데, 센터 브랜치(11c)의 주변에 있는 2개의 분할슬릿(11a,11b)은 전류센서모듈(20)이 장착될 수 있는 공간을 제공한다. 구체적으로 전류센서모듈(20)은 센서 브랜치(11c)가 관통되는 코어를 가질 수 있는데, 이러한 코어가 위치할 수 있는 공간을 제공한다.
센터 브랜치(11c), 제 1 사이드 브랜치(11s-1) 및 제 2 사이드 브랜치(11s-2)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치한다. 나아가, 금속바(10)를 구성하는 전체 구성요소, 즉 브랜치셋(11), 제 1 접속부(13), 제 1 병목부(12), 제 2 접속부(15), 제 1 병목부(12) 및 제 2 병목부(14)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치한다.
제 1 사이드 브랜치(11s-1)의 폭(w2)과 제 2 사이드 브랜치(11s-2)의 폭(w3)은 동일하게 구성되며, 제 1 분할슬릿의 폭(s1)과 제 2 분할슬릿의 폭(s2)도 동일하게 구성되며, 센터 브랜치(11c)를 중심으로 제 1 사이드 브랜치(11s-1) 및 제 2 사이드 브랜치(11s-2)가 대칭 구성된다.
브랜치셋(11)에 구성되는 브랜치들의 두께(t)는 모두 동일하지만, 센터 브랜치(11c)의 폭(w1)은 양쪽 사이드 브랜치들(11s-1,11s-2)의 폭(w2,w3)보다 작게 하는 것이 선호된다. 즉, 각 사이드 브랜치(11s-1,11s-2)를 통해 흐르는 부분전류보다 센터 브랜치(11c)를 통해 흐르는 부분전류를 작게함으로써, 센터 브랜치를 통한 부분전류대비 전체전류의 비율을 크게하고 이에 따라 전류센서모듈(20)을 통한 실제 센싱전류에 비하여 계측대상인 전체전류의 크기를 크게 한다. 반대로보면 작은 전류를 센싱하는 전류센서모듈(20)에 포함되는 코어등의 사이즈를 작게하면서도, 큰 전체전류를 계측할 수 있도록 한다.
제 1 접속부(13)는 외부와의 접속을 위해 금속바(10)의 일단에 구성되는 것이며, 제 2 접속부(15)는 외부와의 접속을 위해 동일 금속바(10)의 타단에 구성되는 것이다. 금속바(10)의 일단인 제 1 접속부(13)에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 1 체결홀(13a,13b)을 구비하며, 금속바(10)의 타단인 제 2 접속부(15)에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 2 체결홀(15a,15b)을 구비한다.
그리고, 금속바(10)는 외부와의 접속지점과 브랜치셋(11) 사이에 구성되며 전체전류가 집중되어 흐르는 병목부(12,14)를 구비하는데, 본 발명의 일 특징은 병목부(12,14)를 구성하는 것이다. 본 발명에서는 외부와의 접속지점이 되는 접속부(13,15)와 브랜치셋 사이에 병목부(12,14)를 각각 구성하고 있는데, 병목부(12,14)는 전류가 흐를 수 있는 단면적을 보다 작게 하여 개재되는 저항을 약간 증가시키는 단점이 있는 반면에, 전류의 계측 정밀도를 향상시키는 장점을 가지도록 하기 위한 것이다.
제 1 병목부(12)는 제 1 접속부(13)와 브랜치셋(11) 사이에 구성되며, 금속바를 통해 흐르는 전체전류가 브랜치들로 분산되기전 집중되어 흐르도록 한다(물론 반대방향의 전류흐름에서도 유사하다). 제 2 병목부(14)는 브랜치셋(11)과 제 2 접속부(15) 사이에 구성되며, 복수의 브랜치를 통해 분산되어 흐른 전체전류가 집중되어 흐르도록 한다(반대방향의 전류흐름에서도 유사하다). 따라서 병목부에서의 단위면적당 전류밀도는 각 브랜치에서의 단위면적당 전류밀도보다 현저히 크다.
길이방향(L)으로 보아 브랜치셋(11)의 양쪽에는 각각 제 1 병목부(12) 및 제 2 병목부(14)가 구성된다. 물론, 제 1 병목부(12)와 각 브랜치 사이의 연결을 위하여 제 1 병목부(12)와 각 브랜치 사이를 연결하는 제 1 연결부(도면번호 없음)가 구성되며, 제 2 병목부(14)와 각 브랜치 사이의 연결을 위하여 제 1 병목부(12)와 각 브랜치 사이를 연결하는 제 2 연결부(도면번호 없음)가 구성된다. 제 1 연결부 및 제 2 연결부의 폭은 금속바(10)의 폭(w)과 동일하다.
제 1 병목부(12)의 폭은, 브랜치셋(11)에 포함된 모든 브랜치의 폭(w1,w2,w3)을 모두 합산한 것의 1/2 이하인 것이 선호된다. 또한, 제 2 병목부(14)의 폭은, 브랜치셋(11)에 포함된 모든 브랜치의 폭(w1,w2,w3)을 모두 합산한 것의 1/2 이하인 것이 선호된다. 병목부를 통해 흐르는 전류의 전류밀도는 각 브랜치를 통해 흐르는 전류의 전류밀도의 2이상인 것이 선호된다.
금속바(10)에서 병목부(12,14)를 구성하기 위하여, 직사각형이고 판상인 금속바에 복수의 노치(12a,12b,14a,14b)가 구성된다.
분할슬릿(11a,11b)의 전단, 즉 브랜치셋(11)의 전단에는 금속바(10)의 아웃트라인이 되는 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 1-1 노치(12a) 및 제 1-2 노치(12b)를 구비한다. 또한, 분할슬릿(11a,11b)의 후단, 즉 브랜치셋(11)의 후단에는 직사각형의 두 장변으로부터 내측으로 들어간 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)를 구비한다.
제 1-1 노치(12a), 상기 제 1-2 노치(12b), 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)는 각각 직사각형의 장변으로부터 내측으로 들어간 제 1 길이(n1), 제 2 길이(n2), 제 3 길이(n3), 제 4 길이(n4)를 가지는 데, 선호되기로는 제 1 길이(n1), 제 2 길이(n2), 제 3 길이(n3), 제 4 길이(n4)는 모두 동일하다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하면서 병목부의 기능 및 효과에 대하여 설명한다.
도 2는 금속바에 병목부(노치)가 적용되지 않은 전류 계측 장치의 예를 도시한 비교예이다. 그리고, 도 3 내지 도 5는 병목부(노치)가 적용되지 않은 금속바의 전류 흐름 특성을 알아보기 위하여, 외부와의 접속 영역을 몇가지로 상정하여 Flux 3D로 시뮬레이션한 결과이다.
도 2와 같은 전류 계측 장치에서 금속바(30)에는 체결홀(33a,33b,35a,35b)이 구성될 수 있는데, 이러한 체결홀을 관통하는 볼트의 조임에 의하여 외부 구성요소와의 전기적 연결이 보장될 수 있을 것이다. 그런데, 이용되는 볼트의 갯수와 조임의 정도에 따라, 또는, 양단에 있는 두개의 체결홀중에서 하나의 체결홀을 이용한다면 어느 쪽 체결홀에 볼트를 체결하느냐에 따라, 금속바(30)에서 주된 전기적 접속부위의 위치가 달라지게 된다.
도 3 내지 도 5에서 가상접속부(41a,41b,42a,42b,43a,43b)는 금속바(41,42,43)에서 외부와의 접속부위를 시뮬레이션하기 위해 금속바에 더 구성한 것으로서, 금속바의 특정부위를 통하여 전류가 공급되는 것을 모사한다.
도 3의 시뮬레이션에서는 금속바(41)의 양쪽 위에 접속부위가 구성되며, 도 4의 시뮬레이션에서는 금속바(42)의 왼쪽 위와 오른쪽 아래에 접속부위가 구성되며, 도 5의 시뮬레이션에서는 금속바(43)의 왼쪽 위와 오른쪽 중간에 접속부위가 구성된다.
시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 접속부위의 위치에 따라서 위쪽의 사이드 브랜치에 흐르는 전류는 전체전류대비 42.05%, 33.32% 및 36.93%로 큰 편차를 보이며, 아래쪽의 사이드 브랜치에서 흐르는 전류는 24.61%, 33.33% 및 28.20%로 큰 편차를 보인다. 이에 반해서, 센터 브랜치에 흐르는 전류는 33.34%, 33.35% 및 34.87%로 작은 편차를 보인다. 즉, 사이드 브랜치에 비하여 센터 브랜치를 흐르는 전류의 편차는 훨씬 작다.
시뮬레이션에서 센터 브랜치를 흐르는 전류의 최대 편차는 (34.87 - 33.34 = 1.53)% 로서 작은 값이기는 하나, 높은 수준의 정밀도를 요구하는 응용분야에서는 아직도 부족한 것이다. 외부와의 접속부위가 다른 경우에도 일정하게 분배가 되어야 정밀 계측에 활용할 수 있는데, 접속부위에 따라 센터 브랜치에 흐르는 전류 값의 비율이 약간 다르게 나타나고, 이러한 구조는 외부와 결합되는 부분의 조임 및 위치 등의 상황에 따라 전류 값이 다르게 되어 고정밀 전류 계측에 적용할 수 없는 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명처럼 병목부(노치)를 적용한 금속바의 전류 흐름 특성을 알아보기 위하여, 외부와의 접속 영역을 몇가지로 상정하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 6 내지 도 8에서 가상접속부(44a,44b,45a,45b,46a,46b)는 금속바(44,45,46)에서 외부와의 접속부위를 시뮬레이션하기 위해 금속바에 더 구성한 것으로서, 금속바의 특정부위를 통하여 전류가 공급되는 것을 모사한다.
도 6의 시뮬레이션에서는 금속바(44)의 양쪽 위에 접속부위가 구성되며, 도 7의 시뮬레이션에서는 금속바(45)의 왼쪽 중간과 오른쪽 중간에 접속부위가 구성되며, 도 6의 시뮬에이션에서느 금속바(46)의 왼쪽 위와 오른쪽 아래에 접속부위가 구성된다.
시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 접속부위의 위치에 따라서 위쪽의 사이드 브랜치에 흐르는 전류는 43.76%, 43.60%, 및 43.61%와 같은 전류분배비율을 가지며, 아래쪽의 사이드 브랜치에서 흐르는 전류는 43.45%, 43.62% 및 43.61%와 같은 전류분배비율을 가진다.
특히, 센터 브랜치에 흐르는 전류는 전체전류대비 12.78%, 12.78%, 12.78%로 시뮬레이션에서 보여주는 소수점아래 2자리까지 동일한 전류분배비율을 가진다.
도 1에 도시된 실시예와 같이 본 발명의 금속바에서 외부와의 접속지점과 브랜치셋 사이에 구성되며 전체전류가 집중되어 흐르는 병목부를 구비함으로써, 접속지점(접속부위)의 위치에 상관없이 센터 브랜치에는 항상 동일비율의 전류가 흐르도록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 접속 부위와 관계없이 센터 브랜치에 항상 동일한 비율로 전류가 흐름을 확인할 수 있고 센터 브랜치의 전류만 계측하여도 비례하는 전체 전류를 정확히 알 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시에에 따른 전류 계측 장치의 금속바(10)는 길이방향을 따라, 제 1 병목부(12), 센터 브랜치(11c) 및 제 2 병목부(14)가 일직선상에 배치된다(도 1 참조). 달리보면, 브랜치들중에서 센터 브랜치가 금속바의 폭방향(W)에서 센터에 위치하듯이, 이와 동일하게 병목부(12,14)도 폭방향(W)에서 센터에 위치한다.
도 9 내지 도 11은 병목부(노치)를 적용하되 병목부의 위치가 센터가 아닌 위쪽으로 있을 때 금속바를 통한 전류 흐름을 시뮬레이션한 결과이다. 도 12 내지 도 14는 병목부(노치)를 적용하되 제 1 병목부는 위쪽에 있고 제 2 병목부는 아래쪽으로 있을 때 금속바를 통한 전류 흐름을 시뮬레이션한 결과이다.
양쪽 병목부가 위쪽에 있을 때, 센터 브랜치에 흐르는 전류는 접속부위의 위치에 따라 10.82%, 10.85% 및 10.84%로서, 최대 0.03%의 편차를 보인다. 또한, 제 1 병목부가 위쪽에 있고 제 2 병목부가 아래쪽에 있을 때 센터 브랜치에 흐르는 전류는 접속 영역의 위치에 따라 10.87%, 10.89% 및 10.88%로서 최대 0.02%의 편차를 보인다.
병목부가 센터에 위치하는 경우 , 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 접속 영역의 위치가 바뀌어도 센터 브랜치의 전류는 12.78%, 12.78%, 12.78%로 소수점아래 2자리까지 동일한 전류값을 가짐에 비하여, 병목부가 센터에 있지 않은 경우에는 소수점아래 2자리에서 약간의 편차를 가짐을 알 수 있다. 이상과 같이 병목부와 센터 브랜치가 모두 폭방향의 센터에 있는 것이 정밀도가 가장 높은 구조임을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따른 전류 계측 장치의 금속바(10)는 길이방향을 따라, 제 1 병목부(12), 센터 브랜치(11c) 및 제 2 병목부(14)가 일직선상에 배치되고 폭방향의 센터에 위치함으로써, 외부와의 접속지점(접속부위)에 상관없이 일정한 비율의 전류가 센터 브랜치에 흐르도록 하며, 이에 따라 높은 정밀도의 계측이 가능한 효과가 있다.
도 15는 실험을 위하여 제작된 금속바(10) 및 전류센서모듈(20)의 시제품을 촬영한 사진이며, 도 16은 도 15의 시제품을 이용하여 외부와의 접속지점(접속부위)을 달리하면서 전류를 측정한 결과를 달리한 그래프로서, 도 16(a)는 선형 스케일로 도시한 그래프이고 도 16(b)는 로그 스케일로 도시한 그래프이다.
실험에서는 Input 및 Output에서 접속지점(접속부위)의 위치를 A, B, C, D, E의 5가지로 바꾸면서 실험하였으며, 도 16의 그래프느 Output에서 접속부위의 위치를 A, B, C, D, E의 5가지로 바꾸면서 실험한 결과를 보여준다.
그래프의 가로축은 Input current이고 세로축은 Sensing current인데, 접속부위에 상관없이 Input current 대비 Sensing current가 거의 동일함으로, 5개의 선이 마치 하나의 선처럼 겹쳐 보이는 점을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 전류 계측 장치는 센터 브랜치(11c)에 흐르는 부분전류로부터 금속바(10)에 흐르는 전체전류를 산출하는 데, 이와 같은 산출(환산)을 위하여 연산부가 전류센서모듈의 내부에, 또는 외부에 구성될 수 있다.
연산부는 부분전류와 전체전류 사이의 일대일 대응 관계를 저장하는 교정 테이블을 구비하며, 상기 교정 테이블을 이용하여 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 전체전류를 산출하며, 각 전류 계측 장치의 생산 과정에서 상기 교정 테이블은 캘리브레이션된다.
본 발명에서는 분배되는 전류가 흐르도록 큰 단면적의 사이드 브랜치들과 작은 단면적의 센터 브랜치를 구성하고, 작은 단면적의 센터 브랜치에서만 전류센싱을 하고, 미리 정의된 배율을 적용하여 전체 전류를 계측하는 구조이다.
본 발명에 따르면 전류계측의 정밀도를 확보하면서도 작은 전류센싱으로 대전류의 계측이 가능함으로써, 앞에서 언급된 대전류 계측의 어려운 점인 정밀도 및 크기의 문제와 가격 등의 문제를 동시에 해결할 수 있다. 또한 연속적인 전류가 지나가면 금속바의 온도가 상승하게 되는데, 모두 일체로 된 각 브랜치에서의 저항계수가 동일하므로, 온도변화에 따른 계측 정밀도의 저하를 방지한다. 또한, 본 발명은 대전류를 계측하는 방법이면서 AC/DC 계측에 모두 적용할 수 있다.
10 : 금속바 11 : 브랜치셋
11c : 센터 브랜치 11s-1, 11s-2 : 사이드 브래치
12, 14 : 병목부 12a,12b,14a,14b : 노치
13, 15 : 접속부 13a,13b,15a,15b : 체결홀
20 : 전류센서모듈 21 : PCB 기판
22 : 통신포트 23 : 케이스

Claims (15)

  1. 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)을 이용하여 상기 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측하기 위한 전류 계측 장치에 있어서,
    상기 금속바(10)는,
    상기 전체전류가 나뉘어져 흐르는 3개 이상인 홀수개의 브랜치가 이웃하게 배열되어 구성되는 브랜치셋(11)을 포함하며,
    상기 브랜치셋(11)에 포함된 3개 이상인 홀수개의 브랜치 중에서 중앙에 있는 센터 브랜치(11c)에 상기 전류센서모듈(20)이 장착되며,
    상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체전류가 산출되며,
    상기 금속바(10)는,
    외부와의 접속지점과 상기 브랜치셋(11) 사이에 구성되며 상기 전체전류가 집중되어 흐르는 병목부를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 브랜치셋(11)은,
    상기 센터 브랜치(11c);
    상기 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s1)을 가지면서 상기 센터 브랜치(11c)의 일 측면에 이웃하여 위치하는 제 1 사이드 브랜치(11s-1);
    상기 센터 브랜치(11c)와 이격된 이격폭(s2)을 가지면서 상기 센터 브랜치(11c)의 타 측면에 이웃하여 위치하는 제 2 사이드 브랜치(11s-2);를 포함하여 구성되며,
    상기 제 1 사이드 브랜치(11s-1)의 폭(w2)과 상기 제 2 사이드 브랜치(11s-2)의 폭(w3)은 동일한 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 센터 브랜치(11c), 상기 제 1 사이드 브랜치(11s-1) 및 상기 제 2 사이드 브랜치(11s-2)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속바(10)는,
    외부와의 접속을 위해 상기 금속바(10)의 일단에 구성되는 제 1 접속부(13); 및
    외부와의 접속을 위해 상기 금속바(10)의 타단에 구성되는 제 2 접속부(15);를 구비하며,
    상기 병목부는,
    상기 제 1 접속부(13)와 상기 브랜치셋(11) 사이에 구성되며, 상기 전체전류가 상기 3개 이상인 홀수개의 브랜치로 분산되기전 집중되어 흐르는 제 1 병목부(12); 및
    상기 브랜치셋(11)과 상기 제 2 접속부(15) 사이에 구성되며, 상기 3개 이상인 홀수개의 브랜치를 통해 분산되어 흐른 전체전류가 집중되어 흐르는 제 2 병목부(14);를 구비하는,
    전류 계측 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속바(10)의 길이방향을 따라, 상기 제 1 병목부(12), 상기 센터 브랜치(11c) 및 상기 제 2 병목부(14)는 일직선상에 배치되며 폭방향의 센터에 위치하는,
    전류 계측 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 브랜치셋(11), 상기 제 1 접속부(13), 상기 제 1 병목부(12), 상기 제 2 접속부(15), 상기 제 2 병목부(14)는 모두 동일한 두께(t)를 가지면서 동일 평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 병목부(12)와 상기 제 2 병목부(14)에서 각각의 폭은, 상기 브랜치셋(11)에 포함된 모든 브랜치의 폭(w1,w2,w3)을 모두 합산한 것의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  9. 금속바(10)와 이에 결합하는 전류센서모듈(20)을 이용하여 상기 금속바(10)를 통하여 흐르는 전체전류를 계측하기 위한 전류 계측 장치에 있어서,
    상기 금속바(10)는,
    길이방향의 중앙에는 상기 전체전류가 나뉘어져 흐를 브랜치들(3 이상인 홀수개임)를 포함하는 브랜치셋(11)이 형성되도록 하기 위해 짝수개의 분할슬릿(11a,11b)이 폭“‡향으로 배치되며,
    상기 분할슬릿(11a,11b)의 전단에는 제 1-1 노치(12a) 및 제 1-2 노치(12b)를 구비하고,
    상기 분할슬릿(11a,11b)의 후단에는 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    전류 계측 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속바(10)는 직사각형이고 판상인 아웃트라인을 가지며,
    상기 제 1-1 노치(12a) 및 상기 제 2-1 노치(14a)의 각각은 상기 직사각형의 일측 장변으로부터 내측으로 들어간 것이며,
    상기 제 1-2 노치(12b) 및 상기 제 2-2 노치(14b)의 각각은 상기 직사각형의 타측 장변으로부터 내측으로 들어간 것인,
    전류 계측 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1-1 노치(12a), 상기 제 1-2 노치(12b), 제 2-1 노치(14a) 및 제 2-2 노치(14b)가 상기 직사각형의 장변으로부터 내측으로 들어간 길이(n1,n2,n3,n4)는 모두 동일한,
    전류 계측 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 짝수개의 분할슬릿(11a,11b)은 길이방향 및 폭방향으로 대칭이며, 상기 브랜치셋(11)에 포함된 브랜치들 중에서 중앙에 위치하는 센터 브랜치(11c)에 상기 전류센서모듈(20)이 장착되며,
    상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체전류가 산출되며,
    전류 계측 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속바(10)의 일단에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 1 체결홀(13a)을 구비하며,
    상기 금속바(10)의 타단에는 외부와의 접속시 볼트 체결을 위한 제 2 체결홀(15a)을 구비하는,
    전류 계측 장치.
  14. 청구항 1 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 전류센서모듈은,
    CT(Current Transformer)를 포함하거나 상기 센터 브랜치(11c)를 감싸는 코어와 홀센서(Hall sensor)를 포함하는,
    전류 계측 장치.
  15. 청구항 1 또는 청구항 12에 있어서,
    부분전류와 전체전류 사이의 일대일 대응 관계를 저장하는 교정 테이블을 구비하며, 상기 교정 테이블을 이용하여 상기 전류센서모듈(20)에 의해 센싱된 부분전류로부터 상기 전체전류를 산출하는 연산부를 더 구비하며,
    생산 과정에서 상기 교정 테이블은 캘리브레이션되는,
    전류 계측 장치.
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