KR20020027491A

KR20020027491A - 교류전류 검출장치

Info

Publication number: KR20020027491A
Application number: KR1020027000517A
Authority: KR
Inventors: 우에스기미치카
Original assignee: 이케다 히로시; 도시바 캐리어 가부시키 가이샤
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2002-04-13
Also published as: AU6015100A; US6674278B1; JP2001033494A; WO2001006266A1; CN1361866A

Abstract

본 발명은 교류전류 검출장치에 관한 것으로서, 대전류·저주파수의 전류의 파형을 큰 진폭의 전압출력으로 고정밀도로 관측할 수 있게 하기 위해, 피검출 전류를 흐르게 하는 일차권선, 코어를 통하여 일차권선과 자기적으로 결합된 이차권선, 및 보조권선을 갖는 변류기와, 보조권선에 발생하는 전압을 증폭하고 코어의 자속변화를 억제하는 전류가 흐르는 극성으로 이차권선에 증폭전압을 인가하는 연산증폭기를 구비하고 이차권선에 피검출 전류에 대응하는 전압을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

Description

교류전류 검출장치{AC CURRENT DETECTION DEVICE}

교류 전동기를 벡터 제어하는 경우, 교류전류를 교류전압으로 변환하고, 또한 전류파형에 대하여 위상지연이 적은 전압파형을 얻는 것이 요구된다. 교류전류를 교류전압으로 변환하기 위해, 일반적으로 CT라고 불리는 교류기나, 홀효과를 이용한 홀CT 등이 사용된다. 이 중 홀 CT는 고가이고 그 용도가 한정되므로, 변류기에 대해서 이하에 설명한다.

도 5는 변류기의 원리를 설명하기 위한 회로도이다. 도면에서, 검출전류원(I₁)에 접속된 도체를 감은 수 1인 일차권선(L₁)으로 하고, 이 도체의 저항을 일차 권선 저항(r₁)으로 하여, 이것을 차례로 직렬 접속하여 일차회로가 형성되어 있다. 또한, 코어(C)를 통하여 일차권선(L₁)에 자기적으로 결합된 이차권선(L₂)을 갖고, 그 저항을 이차권선저항(r₂)으로 하여 이것을 직렬 접속한 것이 CT의 이차권선회로를 형성하고, 이 CT이차권선회로의 출력단자에 전압검출저항(R)을 접속하여 이차회로가 형성된다.

여기에서, 일차권선(L₁)의 감은 수를 1［T］, 이차권선(L₂)의 감은 수를 n₂［T］, 도면 중에 그 방향을 화살표로 나타낸 일차권선(L₁)의 전류를 i₁, 이차권선(L₂)의 전류를 i₂, 전압검출저항(R)의 일단, 즉, 도면의 아래쪽 끝을 기준 전위단자로 하고, 이 기준전위단자로부터 본 전압검출저항(R)의 타단, 즉, 도면의 위쪽 끝의 전압을 v로 하면, 이들 사이에 수학식 1의 관계가 성립한다.

또한, 이차권선저항(r₂)을 제로(0)로 가정하면 전압(v)은 발생하지 않으므로 이차권선전류(i₂)의 시간변화분은 수학식 2에 나타낸 바와 같이 제로가 된다.

따라서, 수학식 3에 나타낸 바와 같이 이차권선전류(i₂)는 일정하게 유지된다.

그러나, 실제의 CT에 있어서는 이차권선저항(r₂)과, 션트저항이라고도 불리는 전압검출저항(R)이 존재하고, 이차권선(n₂)의 양단에 수학식 4의 기전력(e₂)이발생한다.

다음의 이차권선저항(r₂) 및 전압검출저항(R)은 이차권선전류(i₂)의 시간변화분의 요인이 된다.

이제, 이차권선(L₂)의 인덕턴스를 L₂로 하면, 이차권선전류의 시간변화율을 수학식 5로 나타난다.

이 때문에 통전직후에 성립하고 있던 수학식 3의 관계가 무너지고, 코어(C)의 자속(Φ)이 발생한다.

CT에 의한 종래의 교류전류 검출장치에 있어서는 일차전류(i₁)가 일정해도, 시간이 경과함에 따라서 이차권선전류(i₂)가 감쇄하고 코어(C)에 자속(Φ)이 발생한다. 그 때문에, 검출전압파형을 전류파형으로 변환할 때 오차를 발생시키고, 검출전압이 제로에 근접해도 권선저항만큼의 기전력이 제로가 아니거나, 저주파수 또한 대전류에 있어서 코어의 포화가 일어나기 쉽다는 문제가 있었다.

본 발명은 대진폭 또한 저주파의 교류전류를 검출하는 데에 적합한 교류전류 검출장치에 관한 것이다.

첨부도면에서,

도 1은 본 발명에 관한 전류검출장치의 제 1 실시예를 도시한 회로도,

도 2A 및 도 2B는 도 1에 도시한 실시예의 동작을 설명하기 위해, 일차권선으로 직류전류를 스텝형상으로 흐르게 한 직후에서의 검출출력전압 및 코어의 자속의 변화의 상태를, 본 실시예와 종래 장치를 함께 도시한 도면,

도 3A 및 도 3B는 도 1에 도시한 실시예의 동작을 설명하기 위해, 일차권선에 저주파수의 정현파 교류전류를 흐르게 한 경우에서의 검출출력전압 및 코어의 자속의 변화의 상태를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 관한 전류검출장치의 제 2 실시예를 도시한 회로도, 및

도 5는 종래의 전류검출장치로서 변류기의 구성을 도시한 회로도이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 대전류이고 저주파수의 전류파형을 큰 진폭의 전압출력으로 고정밀도로 관측할 수 있는 교류전류 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위해 본 발명은 피검출 전류가 흐르는 일차권선, 코어를 통하여 일차권선과 자기적으로 결합되고 일단이 상호 접속되어 공통단자를 형성하는 이차권선 및 보조권선을 갖는 변류기와, 보조권선에 발생하는 전압을 증폭하고 전류가 코어의 자속변화를 억제하는 극성으로 이차권선에 인가하는 연산증폭기를 구비하고, 이차권선에 피검출 전류에 대응하는 전압을 발생시키는 교류전류 검출장치이다.

또한, 본 발명은 피검출전류가 흐르는 일차권선, 코어를 통하여 일차권선과 자기적으로 결합된 이차권선을 갖는 변류기와, 이차권선에 설치된 중간탭으로 이루어진 공통단자와, 공통단자를 경계로 하여 한쪽의 권선부를 주권선, 다른 쪽의 권선부를 보조권선으로 하고 보조권선에 발생하는 전압을 증폭하고, 전류가 코어의 자속변화를 억제하는 극성으로, 주권선에 증폭전압을 인가하는 연산증폭기를 구비하고, 주권선에 피검출 전류에 대응하는 전압을 발생시키는 교류전류 검출장치이다.

상기 공통단자는 연산증폭기의 기준 단위단자에 접속할 수 있다.

또한, 피검출 전류에 대응하는 전압을 판독하는 전류데이터 판독시스템을 구비하고, 연산증폭기의 기준전위를 전류데이터 판독 시스템의 전원전압의 중간전위로 할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면에 도시한 바람직한 실시예에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 전류검출장치의 제 1 실시예를 도시한 회로도이고, 도면 중, 종래장치를 도시한 도 5와 동일한 부호를 붙인 것은 각각 동일한 요소를 나타낸다. 이 실시예는 일차권선(L₁)에 코어(C)를 통하여 자기적으로 결합된 이차권선(L₂) 및 보조권선(L₃)을 갖는 변류기(CT₁)와 보조권선(L₃)에 발생하는 전압을 증폭하고 전류가 코어(C)의 자속변화를 억제하는 극성으로 증폭전압을 이차권선(L₂)에 인가하는 연산증폭기(U₁)로 구성되어 있다.

여기에서, 이차권선(L₂)의 일단과 보조권선(L₃)의 일단이 상호 접속되고, 연산증폭기(U₁)의 비반전 입력단자(+), 즉 기준전위단자에 접속되어 있다. 이차권선(L₂)의 타단은 연산증폭기(U₁)의 출력단자에 접속되고, 보조권선(L₃)의 타단은 연산증폭기(U₁)의 반전입력단자(-)에 접속되어 있다. 또한, 연산증폭기(U1)의 비반전 입력단자와 출력단자 사이에 피드백 저항(R_f(＞＞r₃)이 접속되어 있다. 또한, 연산증폭기(U₁)의 구동전원으로서, 직류전원(V+)과 직류전원(V-)이 직렬로 접속되고 직류전원(V+)의 양극과, 직류전원(V-)의 음극이 각각 연산증폭기(U₁)의 양, 음전원 단자에 접속되어 있다. 또한, 직류전원(V+)과 직류전원(V-)의 상호접속점이 연산증폭기(U₁)의 비반전 입력단자에 접속되고, 또한 도시를 생략한 전류데이터 판독 시스템의 전원전압의 중간전위로 유지되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작에 대해서 이하에 설명한다.

보조권선(L₃)의 권선저항을 r₃로 하면, 연산증폭기(U₁)의 증폭율 A은 R_f/r₃이 된다. 여기에서, 일차권선(L₁)에 전류(i₁)［A］가 흘러 이차권선(L₂)에 기전력(e₂)이 발생하고, 보조권선(L₃)에 유기전압(e₃)이 발생하는 것으로 한다. 이 때, 보조권선(L₃)의 유기전압(e₃)과 이차권선(L₂)의 유기전압(e₂) 사이에 수학식 6의 관계가 성립한다.

기준전위단자에서 본 연산증폭기(U₁)의 출력전압을 v로 하면, 상기 출력전압 v은 수학식 7로 나타난다.

그 결과, 이차권선(L₂)에는 이차권선저항(r₂)을 통하여 수학식 8에 나타나는 전류(i₂)가 흐른다.

따라서, 보조권선(L₃)에는 수학식 9의 전류(i₃)가 흐른다.

일차전류의 통전직후에서는 코어(C)의 자속(φ)은 제로이므로, 일차권선의 전류(i₁)는 수학식 10으로 나타낸 값이 된다.

상기 수학식 10을 변형하여 e₂를 구하면 수학식 11이 된다.

이와 관련하여, 도 5에 도시한 종래장치의 이차권선전압(e₂)을 나타내면, 수학식 12와 같았다.

상기 수학식 11과 수학식 12를 비교하면, 수학식 12에 나타내는 이차권선의 유기전압(e₂)은 일정한 데에 비해, 수학식 11에 나타내는 이차권선의 유기전압(e₂)은 연산증폭기(U₁)의 증폭율(A)을 충분히 크게 함으로써 충분히 작게 억제할 수 있다.

또한, 수학식 7과 수학식 12를 사용함으로써 연산증폭기(U₁)의 출력전압(v)은 수학식 13으로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 13으로부터 연산증폭기의 출력전압(v)이 그대로 일차권선전류(i₁)에 비례한 변환전압출력으로서 사용할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 증폭율(A)이 무한대에 근접하면, 이차권선의 유기전압(e₂)은 한없이 제로에 근접하고 연산증폭기의 출력전압(v)은 수학식 14의 값에 수속한다.

수학식 14에 나타낸 값은 종래 장치에서 발생하고 있던 이차권선의 내부저항(r₂)에 의한 기전력이 외부로부터 공급되는 전원에 의해 보상되는 것을 의미하고 있다.

도 2A는 일차권선(L1)에 10［A］의 직류전류를 스텝형상으로 흐르게 한 직후에서의 검출출력전압의 변화의 상태를, 본 실시예에의 것과 종래 장치에서의 것을 함께 도시한 도면이고, 도 2B는 이 경우의 코어의 자속(Φ)의 변화상태를, 본 실시예의 것과 종래 장치의 것을 함께 도시한 도면이다. 이들 도면으로부터 밝혀진 바와 같이, 종래 장치와 비교하여 본 실시예에서는 시간의 경과에 따라서 대수적으로 증가하는 검출출력전압의 감쇄를 약간 억제할 수 있고, 또한 코어자속(Φ)의 증가를 현저하게 낮게 억제할 수 있다.

도 3A는 일차권선(L₁)에 진폭이 10［A］에서 주파수가 10［㎐］의 정현파 교류전류를 흐르게 한 경우에서의 검출출력전압의 변화의 상태를, 본 실시예의 것과 종래장치의 것을 함께 도시한 도면이고, 도 3B는 이 경우의 코어의 자속(Φ)의 변화상태를 본 실시예의 것과 종래 장치의 것을 함께 도시한 도면이다. 이들 도면으로부터 밝혀진 바와 같이, 종래 장치와 비교하여 본 실시예에서는 일차권선전류와 거의 동상(同相)의 검출출력전압이 얻어지고, 또한 코어자속(Φ)의 증가를 현저하게 낮게 억제할 수 있다.

이렇게 하여 본 실시예에 의하면 이차권선전류가 시간의 경과과 함께 감쇄하는 것을 낮게 억제하고, 또 코어자속의 증가도 낮게 억제할 수 있고, 대전류, 저주파수의 전류파형을 큰 진폭의 검출전압출력에서 고정밀도로 관측할 수 있다.

도 4는 본 발명에 관한 전류검출장치의 제 2 실시예의 구성을 도시한 회로도이고, 도면 중 도 1에 도시한 제 1 실시예와 동일한 기능을 갖는 것에 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다. 이 제 2 실시예는 일차권선(L₁)에 대하여, 코어(C)를 통하여 자기적으로 결합된 이차권선에 공통단자로서의 중간 탭(MT)을 설치하고, 이 중간 탭(MT)으로부터 보아 한쪽을 주권선(L₂)으로 하고 다른쪽을 보조권선(L₃)으로 하고, 이 중 주권선(L₂)에 상술한 이차권선(L₂)의 기능을 가지게 한 것이다.

또한, 이 경우 중간탭(MT)을 기준전위로 유지하고, 또한 연산증폭기(U₁)의 출력단자에 제 1 실시예와 동일한 극성의 전압을 발생시키기 위해, 중간탭(MT)과 보조권선(L₃)의 단말 사이에 저항(R_s)을 접속하고, 또 중간탭(MT)을 저항(R_i)을 통하여 연산증폭기(U₁)의 반전입력단자에 접속하고, 보조권선(L₃)의 말단을 연산증폭기(U₁)의 비반전 입력단자에 접속하고 있다.

한편, 연산증폭기(U₁)의 출력단자에 제 1 실시예와 동일한 전압을 발생시키기 위해, 비반전 입력단자와 출력단자간에 접속되는 피드백 저항(R_f1)의 값을 제 1 실시예에서 설명한 증폭율(A(=R_f1/R_i))이 얻어지도록 정하고 있다.

이 제 2 실시예는 보조권선(L₃)의 양단에 발생한 전압에 대응하는 전압을 저항(R_s)의 양단에 발생시키고, 이 전압을 증폭하여 제 1 실시예에서 설명한 것과 동일한 극성과 크기를 가진 전압(v)을 발생시키는 것이다.

이렇게 하여, 도 4에 도시한 제 2 실시예에 의해서도 이차권선전류가 시간의 경과과 함께 감쇄하는 것을 낮게 억제하고, 또한 코어자속의 증가도 낮게 억제할 수 있고, 대전류 또한 저주파수의 전류의 파형을 큰 진폭의 검출전압출력으로 고정밀도로 관측할 수 있다.

Claims

피검출 전류가 흐르는 일차권선, 코어를 통하여 상기 일차권선과 자기적으로 결합되고 일단(一端)이 상호 접속되어 공통단자를 형성하는 이차권선, 및 보조권선을 갖는 변류기와,

상기 보조권선에 발생하는 전압을 증폭하여 전류가 상기 코어의 자속변화를 억제하는 극성으로 상기 이차권선에 인가하는 연산증폭기를 구비하고,

상기 이차권선에 피검출 전류에 대응하는 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공통단자를 상기 연산증폭기의 기준전위단자에 접속한 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 피검출 전류에 대응하는 전압을 판독하는 전류데이터 판독 시스템을 구비하고, 상기 연산증폭기의 기준 전위를 상기 전류 데이터 판독 시스템의 전원전압의 중간 전위로 한 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.
피검출 전류가 흐르는 일차권선, 및 코어를 통하여 상기 일차권선과 자기적으로 결합된 이차권선을 갖는 변류기,

상기 이차권선에 설치된 중간탭으로 구성된 공통단자, 및

상기 공통단자를 경계로 하여 한쪽의 권선부를 주권선, 다른쪽의 권선부를 보조권선으로 하고, 상기 보조권선에 발생하는 전압을 증폭하여 전류가 상기 코어의 자속변화를 억제하는 극성으로 상기 주권선에 증폭전압을 인가하는 연산증폭기를 포함하고,

상기 주권선에 피검출 전류에 대응하는 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.
제 4 항에 있어서,

상기 공통단자를 상기 연산증폭기의 기준전위단자에 접속한 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.
제 4 항에 있어서,

상기 피검출 전류에 대응하는 전압을 판독하는 전류 데이터 판독 시스템을 포함하고, 상기 연산 증폭기의 기준전위를 상기 전류 데이터 판독 시스템의 전원전압의 중간전위로 한 것을 특징으로 하는 교류전류 검출장치.