KR19990044983A - 실효값의 빠른 계측을 얻을 수 있는 실효값 변환기 - Google Patents

Abstract

주파수가 50 Hz 또는 60 Hz인 전력선 신호 실효값의 빠른 계측을 할 수 있는 실효값 변환기(converter)가 제공된다. 실효값 변환기에 도달한 전력선 주파수 신호의 디지털 샘플은 평균 회로에서 제곱되어 더해진다. 각 실효값 계측 주기 끝에, 평균값이 실효값 계산을 위한 제곱근 회로에 공급된다. 실효값 계측 주기는 초당 20개까지 실효값을 공급하는 전력선 신호 제곱값의 최소 정수 사이클(cycle)이 되도록, 60 Hz 주파수에 6 사이클 또는 50 Hz 주파수에 5 사이클, 50 ms (millisecond)가 선택된다.

Description

실효값의 빠른 계측을 얻을 수 있는 실효값 변환기

본 발명은 일반적으로 실효값 변환기 회로에 관한 것으로, 특히 전력선 신호의 빠른 실효값 계측을 얻기 위한 회로와 방법에 관한 것이다.

멀티미터(multimeter)와 전압기는 전형적으로 전압 실효값에 의하여 교류전압 계측을 제공한다. 전력선 신호는 전력 장치에 의하여 소비자들과 산업에 공급되는 통상 120V 또는 240V 실효값이다. 고도의 정확성과 안정성을 갖는 전력선 신호의 실효값을 결정하는 능력은 테스트와 계측 적용에 있어 매우 중요하지만, 종종 실효값을 얻으려는 입력 신호의 여러 사이클에 걸치는 계측 주기와 함께, 계측 속도를 희생하는 대가로 얻어진다.

종래 멀티미터들은 공지의 주파수와 일반적으로 사인 파형을 갖는 전력선 신호의 적절한 정확성을 갖는 아날로그 실효값 계측을 제공하기 위하여 다이오드(diode) 정류기와 커패시터 평균 회로들을 사용하였다. 상기 눈금들은 실효값을 나타내는 직류전압상에 부과된 최소의 교류리플(ripple) 전압과 함께 안정된 판독을 얻기 위하여 신호의 여러 사이클에 걸쳐 평균을 요구하였다.

아날로그 실효값-직류 변환기는 훨씬 다양한 파형을 갖는 신호들에 대한 직류전압의 형태로 "실제-실효값"을 생성하므로써 다이오드 평균화의 한계를 향상시킨다. 열적 실효값 변환기는 단열된 환경내의 저항에 신호를 가하고, 실효값에 상응하는 등가 직류 가열값을 얻기 위하여 저항 온도에서 등가 열상승을 계측하므로써 작동하는 실효값 변환기의 일 형태이다. 열적 실효값 변환기는 저항의 열적 응답에 따른 등가 직류 가열값을 계측하기 때문에, 안정된 계측을 얻기 위한 시간이 입력신호의 여러 사이클에 걸칠 것이고, 이 계측 시간은 다른 요소들 중에 저항의 열적 특성, 주위 온도 및 실효값 계측에 필요한 정확성에 의존한다.

또한, 모놀리식(monolithic) 실효값 변환기는 실효값을 나타내는 직류전압을 얻기 위하여 단일 집적 회로내에 증폭기, 멀티플라이어, 디바이더 및 적분기와 같은 아날로그 회로들로 구성된 또다른 형태의 실효값 변환기이다. 실효값은 바람직한 정확성 정도와 실효값을 나타내는 직류신호에 부과될 수 있는 교류리플 최대양과 정확도의 소망 레벨에 따라서 설정되는 상기 평균화 시간에 걸쳐 결정된다. 50 Hz와 60 Hz 전력선 신호들에서, 평균화 주기는 반드시 여러 사이클에 걸친다.

실효값을 나타내는 직류전압을 디지털 샘플로 변환하도록 아날로그 실효값 변환기의 뒤에 고정적으로 배치되어 왔던 아날로그-디지털 변환기는, 전단부에서 입력신호를 계측하도록, 더 새로운 장치설계로 아날로그 실효값 변환기를 통상적으로 대체하고 있다. 현재 아날로그-디지털 변환기는 입력신호 샘플링을 직접 할 수 있고 심층 처리를 위하여 시간 기록에 따라 디지털 샘플들을 저장할 수 있는 고도의 샘플 비율과 계측 정확성을 제공한다. 시간 기록으로부터 소정 갯수의 디지털 샘플들에 걸쳐 디지털 샘플들을 적분한 다음 신호의 실효값을 계산하기 위하여 수학적 연산들이 사용된다. 신호의 정확한 주기를 알 수 없을 수도 있으므로, 소망레벨의 정확성을 얻기 위하여 시간 기록은 신호의 여러 사이클에 걸친다.

스티븐 디. 스위프트가 발명하고 플루크 사에 양도되었으며, 미국 출원 08/840,086 에 계류중인 "계측 장치를 위한 전단부 구조"에 있어, 계측 장치를 위한 전단부 구조는 입력 신호가 전단부 회로에 의해 제어되고 디지털 샘플을 만들기 위한 아날로그-디지털 변환기에 의하여 디지털화 되는 것이 공개되어 있다. 디지털 샘플들은 실효값들과 피크(peak) 최소, 최대값을 포함하여 여러가지 계측 변수들을 동시에 추출하는 한 세트의 디지털 추출 필터로 공급된다. 디지털 필터의 길이와 복잡성은 여러가지 전달 함수들의 소망 특성에 의하여 결정된다. 전단부 구조는 광범위한 신호들의 계측에 적용될 수 있을지 모르지만 전력선 신호의 빠른 실효값 계측을 어떻게 얻는 것인가에 대해서는 시사점을 제공하지 못한다.

스위프트 등이 발명하고 플루크 사에 양도되었으며, 미국 출원 08/802,020 에 계류중인 "디지털 필터를 이용한 실효값 변환기"에 있어서, 디지털 필터와 제곱근 회로앞에 배치된 제곱회로로 구현된 실효값 변환기가 설명되어 있다. 실효값들은 입력신호 주기 및 소정 적분 주기와 무관하게 연속적인 디지털 샘플들로부터 얻어진다. 디지털 필터의 전송 함수는 위에서 언급된 열적 실효값 변환기내 저항의 열적 응답후에 모델화되므로, 실효값을 얻기 위한 응답 시간은 계측 적용의 정확도 요구에 의하여 유도된다. 전력선 신호와 같이 주기를 알고 있는 신호의 실효값들을 빠른 계측비로 얻는 문제는 설명되지 않는다.

그러므로, 종래 기술에 따른 실효값 측정은 광범위한 입력 주기들에 걸쳐 수용 가능한 정확도를 얻기 위하여 상대적으로 느린 비율로 수행된다. 상기 비율은 간헐적 문제들을 검출하기 위하여 더 높은 실효값 측정률이 요구되는 많은 고장수리 적용에 항상 적절한 것은 아니다. 세계 표준 전력선 주파수 50 Hz와 60 Hz 신호의 계측에 지향된 테스트와 계측 적용에서, 전력선 신호의 주기는 두 개의 명확한 주기 중 하나로 알려져 있다. 그러므로, 전력선 신호의 공지 주기를 이용하여 종래 기술보다 실질적으로 빠른 계측비를 얻기 위하여, 빠른 실효값 측정을 수행하는 실효값 변환기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 전력선 신호 실효값의 빠른 계측을 얻을 수 있는 실효값 변환기가 제공된다. 전력선 주파수 신호는 세계 표준에 따른 50 Hz나 60 Hz의 주파수를 갖는 주기적 사인파이다. 고장 점검과 진단을 위하여 전력선 주파수 신호의 실효값이 가능한 최대한 빠른 비율로 생성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 실효값 변환기는 초당 20개의 실효값 계측비를 얻기 위하여 50 Hz 또는 60 Hz가 적용된 50 ms의 최소 계측 주기에서 실효값의 빠른 계측을 제공하도록, 공지의 전력선 주파수와 파형을 이용한다.

실효값 변환기를 포함하는 계측 장치에 있어, 계측되는 신호("입력신호")는 아날로그 신호의 디지털 샘플을 제공하도록, 전형적으로 아날로그-디지털 변환기, 시그마 델타 변환기 또는 아날로그 신호의 디지털 샘플을 제공하는 기술분야에서 공지된 다른 샘플링 기술의 형태로, 샘플링 시스템에 제어된 입력 신호를 공급하는 전단부에 결합된다. 디지털 샘플들은 50 ms 실효값 계측 주기에 걸쳐 소망 레벨의 정확도를 제공하기에 충분히 높은 샘플 비율과 분해능으로 샘플링 시스템으로부터 공급된다. 상기 실시예에서, 디지털 샘플들은 8 비트(bit) 진폭 분해능을 갖고 초당 1,000 개의 샘플 비율로 샘플링 시스템에 의하여 공급된다.

실효값 변환기에 도달한 디지털 샘플들은 제곱 회로에서 제곱되고 평균 회로에서 더해진다. 각 실효값 계측 주기의 끝에서, 평균값은 실효값을 계산하는 제곱근 회로로 공급된다. 그 후, 실효값은 최소, 최대 실효값을 저장하거나 시간에 대한 실효값 그래프 플롯 생성을 포함하는 심층 처리를 위하여 마이크로 프로세서(microprocessor)에 공급된다. 실효값 계측 주기는 50 Hz와 60 Hz 주파수 모두에 대하여, 제곱된 전력선 신호의 최소 정수 사이클에 걸치도록 50 ms로 선택되었다. 50 ms 실효값 계측 주기는 최대 초당 20 개 실효값 비율의 빠른 실효값 계측을 제공하기 위하여, 60 Hz 주파수에는 6 사이클에, 50 Hz 주파수에는 5 사이클에 걸친다.

본 발명의 제 1 목적은 빠른 실효값 계측을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 전력선 신호의 빠른 실효값 계측을 얻기 위한 실효값 계측기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 50 Hz 또는 60 Hz 전력선 주파수 신호에 적응하는 빠른 실효값 계측을 생성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 4 목적은 전력선 주파수 신호의 빠른 실효값 계측을 생성하는 계측 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특성, 성취도 및 이점 등은 첨부된 도면과 함께 다음 설명을 읽으면 당업자들에게 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전력선 신호 실효값의 빠른 계측을 위한 계측 장치의 개략 블록도이다;

도 2는 60 Hz 전력선 신호와 실효값 계측 주기의 관계를 나타내는 그래프이다;

도 3은 50 Hz 전력선 신호와 실효값 계측 주기의 관계를 나타내는 그래프이다;

도 4는 실효값 계측 주기에 따라서, 전력선 신호로부터 빠른 실효값 계측을 생성하는 것을 나타내는 그래프이다;

도 5는 본 발명에 따른 실효값 변환기의 개략 블록도이다.

도 1은 전력선 신호의 빠른 실효값 계측을 하는데 적합한 계측 장치(10)의 개략 블록도이다. 이 계측장치(10)는 전형적인 테스트와 계측 적용시에 마주치는, 전력선 주파수 신호를 생성하는 전압원(12)과 연결된다. 전력선 신호는 세계 전력 표준에 따라서 50 Hz 또는 60 Hz의 주파수를 갖는 주기적 사인파이다. 전력선 신호의 실효값이 가능한 최대한 빠른 비율로 생성되는 것이 고장수리와 진단 목적을 위하여 바람직하다. 이렇게 발생된 실효값들은, 최소값과 최대값으로 획득되어 저장되거나 단기 이상들을 검출하는 것과 같이 심층 분석을 위하여 화면에 도시될 수 있다.

전압원(12)은 한 쌍의 테스트 탐침(16)을 통하여 전단부(14)와 연결된다. 전단부 회로(14)는 테스트 탐침(16)쌍 사이의 전압을 입력전압으로 받는다. 입력 전압이 모르는 레벨이고 다른 주파수나 노이즈 요소들을 갖고 있을 수도 있으므로, 전단부 회로(14)는 디지털 샘플 변환을 위한 적절한 진폭 레벨의 제어된 입력 신호와 입력 대역폭을 공급하기 위하여 과전압 방지회로, 증폭기, 필터, 디바이더(divider)를 포함하는 신호제어 회로를 제공한다.

제어된 입력 신호는, 실효값 변환기(20)로 공급되는 디지털 샘플들로 제어된 입력 신호를 변환하는 샘플링 시스템(18)으로 공급된다. 샘플링 시스템(18)은 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음), 시그마 델타(sigma delta)변환기와 데시메이션(decimation) 필터(도시되지 않음) 또는 기술분야에서 공지된 다른 샘플링 기술로써 구현될 수 있다. 샘플링 시스템의 샘플비는 필요한 실효값 계측의 요구되는 정확성과 계측 장치(10)의 입력 대역폭을 얻기 충분한 고비율로 선택되어 진다. 상기 실시예에서, 실효값의 바람직한 정확도를 얻기 위하여 초당 1,000개의 샘플들을 샘플링 할 수 있는 샘플 변수들과 8 비트 진폭 분해능이 선택되었다.

50 ms의 실효값 계측 주기는, 최고 초당 20개의 실효값 비율에서 실효값 계측을 변화없이 제공하기 위하여, 60 Hz와 50 Hz 주파수 전력선 신호를 수용할 수 있는 최소 계측 주기로 선택되었다. 실효값 계측 주기와 60 Hz 및 50 Hz 전력선 신호의 관계가 도 2 및 도 3에 도시된다. 전력선 신호 제곱값의 최소 정수 사이클에, 변화없이 50 Hz와 60 Hz 주파수 전력선 신호와 양립하는 도 2B에 도시된 6 사이클 또는 도 3B에 도시된 5 사이클, 걸치도록 50 ms의 실효값 계측 주기가 선택된다.

도 2A에, 통상의 오실로스코프(oscilloscope) 상에 보여지는 주기적 사인파의 궤적(50)으로 도시된 60 Hz 주파수인 전력선 신호의 진폭 대 시간 그래프가 도시되어 있다. 궤적(50)은 "60 Hz 전력선 신호(POWER LINE SIGNAL 60 HERTZ)"로 분류되고, 디지털 샘플들로 나타나는 진폭값을 나타낸다. 60 Hz 주파수 전력선 신호들은 정상적으로 60 Hz에 매우 근접하기 때문에, 완전한 세 사이클 사인파의 주기는 50 ms에 매우 근접할 것이다. 도 2B에서, "제곱된 전력선 신호(SQUARED POWER LINE SIGNAL)"로 분류되고, 도 2A의 전력선 신호를 제곱한 궤적(52)이 도시된다. 이 궤적(52)은 실효값 계측기(20)내에 생성된 디지털 샘플들의 제곱된 진폭값을 나타낸다. 효과적으로 전력선 신호의 제곱값을 취하는 것은 궤적(52)내에 완전한 여섯 사이클이 나타나게 하도록, 주파수를 두 배로 한다. 도 2C에는, 상기 실시예에서 50 ms에 걸치는 실효값 계측 주기(54)가 도시된다. 실효값 계측 주기(54)는 궤적(52)에 도시된 바와 같이, 제곱된 디지털 샘플들의 여섯 개 정수 사이클에 걸치므로, 실효값 계측 주기에 대한 전력선 주파수 입력 신호의 위상은 실효값 결과 계산에 영향을 주지 않는다. 이 방법으로, 실효값 계측 주기(54)는 전력선 주파수 입력 신호의 특정 위상에서 시작하도록 동기화 되거나 트리거(trigger) 될 필요가 없는데, 이것은 계측 과정을 상당히 단순화 한다.

도 3A에서, 도 2A와 유사하지만, "50 Hz 전력선 신호(POWER LINE SIGNAL 50 HERTZ)"로 분류된 궤적(60)으로 도시되어 50 Hz 주파수를 갖는 전력선 신호의 진폭 대 시간 그래프가 도시되어 있다. 궤적(60)은 디지털 샘플 형태의 진폭값들을 나타낸다. 50 Hz 전력선 신호는 정상적으로 50 Hz에 정확히 일치하므로, 사인파의 2와 2분의 1 사이클 주기는 50 ms에 매우 근접할 것이다. 도 3B에서, "제곱된 전력선 신호"로 분류되고, 제곱된 디지털 샘플들의 형태의 도 3A의 전력선 신호를 제곱한 궤적(62)이 도시되어 있다. 효과적으로 전력선 신호의 제곱값을 취하는 것은 궤적(62)내에 완전한 다섯 사이클이 나타나게 하도록 주파수를 두 배로 한다. 도 3C에는, (도 2C에도 도시된) 실효값 계측 주기(54)가 도시되어 있다. 실효값 계측 주기(54)는 궤적(62)에 도시된 바와 같이, 제곱된 디지털 샘플들의 여섯 개 정수 사이클을 포함하므로, 실효값 계측 주기(54)에 대한 전력선 주파수 신호의 위상은 실효값 결과 계산에 영향을 주지 않는다. 그러므로, 실효값 계측 주기(54)는 60 Hz와 50 Hz 전력선 신호의 제곱에 대한 궤적(52)과 궤적(62) 각각에 대하여, 정수 사이클, 6 또는 5 사이클을, 허용하는 최단 가능 주기이다.

도 4A에서, 확장된 수의 사이클에 대하여 궤적(70)으로 도시되고, (도 3A에 도시된) 50 Hz 주파수를 갖는 전력선 신호의 진폭 대 시간 그래프가 나타난다. 초당 20개의 실효값 계측비를 얻고 50 ms, 100 ms, 150 ms 등의 시간값에 실효값을 생성하도록, 순차적으로 여러개의 실효값 계측 주기(54)들이 수행된다. 선택적으로, 실효값 계측 주기와 전력선 신호의 사이클 수 사이의 관계가 50 Hz 입력 신호의 2와 2분의 1 사이클과 60 Hz 입력 신호의 3 사이클로 실제로 같은 한, 실효값 계측 주기는 정확히 서로를 뒤따르거나 정확히 서로 같은 시작 위상을 유지할 필요는 없다.

도 5A에서, 본 발명에 따른 실효값 변환기(20)의 개략 블록도(block diagram)가 도시되어 있다. (도 1에서 도시된)샘플링 시스템(18)에서 발생된 디지털 샘플들은 실효값 변환기(20)에 도달한다. 각 디지털 샘플은 평균 회로(102)에 공급되는 전력선 신호의 제곱값을 나타내는 제곱된 디지털 샘플들을 얻기 위하여 제곱 회로(100)에서 제곱된다. 평균 회로(102)는 제곱된 디지털 샘플들을 축적하고, 매 50 ms마다 도달하는 신규 신호를 수신하여, 실효값 계측 주기(54)에 걸쳐 축적된 디지털 샘플들의 평균값을 계산한다. 그 후, 제곱근 회로(104)는 실효값을 생성하기 위하여 평균값의 제곱근을 계산한다.

좀 더 넓은 견지에서 본 발명의 정신을 벗어나지 않고, 상기 설명된 본 발명의 실시예들에서 많은 변화가 있을 수 있다는 것은 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 실효값 계측기(20)는 전용 디지털 회로를 이용한 하드웨어(hardware)로, 마이크로 프로세서로 실행되는 소프트웨어(software)로, 또는 적용상 요구에 따라 상기 두 가지 모두로 구현될 수 있다. 평균값의 개선된 분해능을 얻기 위하여, 제곱된 디지털 샘플들의 정수 사이클을 유지하는 좀 더 긴 실효값 계측 주기,예를 들어 100 ms,가 선택될 수 있다. 만약, 하나의 전력선 주파수나 다른 주파수만이 다른 주파수를 수용하지 않고 계측 되어진다면, 초당 20개 실효값 비율보다 높은 계측비로 실효값을 얻기 위하여 더 짧은 실효값 계측 주기가 선택될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위에 의하여 결정된다.

본 발명에 따르면, 전력선 신호 실효값의 빠른 계측을 얻을 수 있는 실효값 변환기가 제공된다. 전력선 주파수 신호는 세계 표준에 따른 50 Hz나 60 Hz의 주파수를 갖는 주기적 사인파이다. 고장 점검과 진단을 위하여 전력선 주파수 신호의 실효값이 가능한 최대한 빨리 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 실효값 변환기는 초당 20개의 실효값 계측비를 얻기 위하여 50 Hz 또는 60 Hz가 적용된 50 ms의 최소 계측 주기에서 실효값의 빠른 계측을 제공하기 위하여, 상기 전력선 주파수와 파형을 이용한다.

Claims (10)

1. (a) 전력선 신호를 수신하여 제곱된 디지털 샘플들을 생성하는 제곱 회로;

   (b) 상기 제곱회로에 연결되어, 상기 디지털 샘플의 정수배 사이클에 이르는 실효값 계측 주기에 걸쳐 상기 제곱된 디지털 샘플들의 평균값을 제공하는 평균 회로; 및

   (c) 상기 평균값의 제곱근을 계산하여 상기 전력선 주파수 입력 신호의 실효값을 생성하는 제곱근 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 실효값 변환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전력선 신호는 50 Hz 또는 60 Hz 중 하나의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 실효값 변환기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 실효값 계측 주기는 사실상 50 ms에 근접하는 것을 특징으로 하는 실효값 변환기.
4. (a) 상기 전력선 신호를 디지털 샘플링하여 디지털 샘플들을 얻는 단계;

   (b) 제곱 회로에서 상기 디지털 샘플들을 제곱하여, 제곱된 디지털 샘플들을 생성하는 단계;

   (c) 상기 제곱된 디지털 샘플들의 정수배 사이클에 이르는 상기 실효값 계측 주기에 걸쳐 상기 제곱된 디지털 샘플들을 평균하여 평균값을 생성하는 단계; 및

   (d) 상기 평균값의 제곱근을 취하여 상기 전력선신호의 실효값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 신호의 실효값 계산 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전력선 신호가 50 Hz와 60 Hz 중 하나의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 실효값 계측 주기가 사실상 50 ms에 근접된 것을 특징으로 하는 전력선신호의 실효값을 계산하는 방법.
7. (a) 상기 전력선 신호에 연결되어 상기 전력선 신호의 디지털 샘플들을 생성하는 샘플링 시스템;

   (b) 상기 샘플링 시스템에 연결되어, 상기 전력선 신호 제곱의 최소 정수배 사이클에 이르는 실효값 계측 주기에 걸쳐 상기 디지털 샘플들을 수신하여 상기 전력선 신호의 상기 실효값을 제공하는 실효값 변환기;

   (c) 상기 실효값 주기에 따라 상기 실효값 변환기로부터 상기 실효값을 수신하는 마이크로 프로세서; 및

   (d) 상기 마이크로 프로세서에 연결되어 상기 실효값들을 수신하고 표시하는 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선 신호의 빠른 계측을 얻는 계측 장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 실효값 변환기는

   (a) 상기 전력선 신호의 상기 디지털 샘플들을 수신하여 제곱된 디지털 샘플들을 생성하는 제곱 회로;

   (b) 상기 제곱 회로에 결합되어, 상기 실효값 계측 주기에 걸쳐 상기 제곱된 디지털 샘플들의 평균값을 제공하는 평균 회로; 및

   (c) 상기 평균값의 제곱근을 계산하여 상기 전력선 신호의 실효값을 생성하는 제곱근 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 전력선 신호는 50 Hz 와 60 Hz 중 하나의 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 계측 장치.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 실효값 계측 주기는 사실상 50 ms 에 근접하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.