KR20060089729A

KR20060089729A - 자기 브리지형 전력센서

Info

Publication number: KR20060089729A
Application number: KR1020067006198A
Authority: KR
Inventors: 다카시 타다츠
Original assignee: 가부시키가이샤 에루 포트
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-08-09
Also published as: EP1710591A4; CN1922498A; EP1710591A1; WO2005040837A1; CN100460878C; JP4579523B2; US7511471B2; US20070024269A1; JP2005106632A

Abstract

양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 자기회로 21a와 22b의 접속점과 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기브리지에 있어서, 여자 코일(3)에 피측정 전력선(5)의 전압에 비례한 전류에 단속 또는 반전의 적어도 어느 하나의 처리를 시행한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 피측정 전력선(5)의 전류를 흘리고, 검출 코일(4)의 출력을 단속 또는 반전의 주기와 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하도록 형성했다.

자기회로, 접속점, 여자 코일, 자속검출 코일, 자기 브리지, 피측정 교류전력선, 피검출전류 도체, 전압위상, 주파수, 자기 브리지형 전력센서

Description

자기 브리지형 전력센서{MAGNETIC BRIDGE ELECTRIC POWER SENSOR}

본 발명은, 전류와 전압을 검출하여 서로 승산(乘算)하는 전력계측에 있어서, 전류와 전압을 하나의 센서로 동시에 검출하고, 센서 자신이 물리적으로 승산하는 전력센서에 관한 것이다.

전력은 부하 양끝의 전압과 그것을 흐르는 전류로부터 구할 수 있다. 구체적으로는 부하에 흐르는 부하 전류와 당해 부하에 인가하고 있는 부하 전압과의 곱으로 구한다. 그러나, 교류전원을 사용하는 경우의 전력측정은 에너지로서 소비되는 유효전력과, 그렇지 않은 무효전력이 있기 때문에, 간단히 구할 수는 없다.

종래 공지의 일반적인 전력검출은 전류검출용 트랜스(CT)로 부하 전류값을 구하고, 전압검출 트랜스(PT)로 부하 전압값을 구하고, 상기 원리에 기초하여 전류값과 전압값과의 승산을 전자회로나 마이크로컴퓨터에 의해 행하는 방법이 취해지고 있다. 그러나 이 방법으로는 교류전력은 구해지지만, 직류전력은 트랜스의 특성상 계측할 수 없다.

한편, 직류전력과 교류전력 양쪽을 계측할 수 있고, 또한 전력을 직접 검출하는 방법으로서는 다음과 같은 것이 알려져 있다.

즉 초기의 전력계로서, 지침에 의한 지시 전기 계기로서, 전류력계형 전력계 라고 일컬어지는 전류 코일과 전압 코일 사이에 작용하는 토크를 이용하여 지침을 움직이고, 눈금을 읽는 전력계가 알려져 있다. 이 전력계는 인간이 육안관찰에 의해 계측했으므로, 현재 요구되는 자동화기기에의 편입이나, 디지털 신호처리와의 연동은 곤란하고, 실제적으로도 그러한 용도에는 사용할 수 없다.

또, 부하 전류의 자계에 의해 패러데이 효과 광학소자의 편광면을 회전시키고, 당해 패러데이 효과 광학소자에 부하 전압에 비례한 광을 통과시킴으로써 부하 전류와 부하 전압에 상관특성을 갖는 광을 얻고, 광전변환에 의해 전력과 상관성이 있는 전기신호를 얻는 전력센서 기술(예를 들면, 특허문헌 1 참조)이 있다. 이 선행기술에서는 전광변환과 광전변환을 함으로써 오차가 누적되므로 고정밀도는 얻어지지 않는다. 또, 광학계를 이용하기 때문에, 고가인 광학소자를 필요로 할 뿐만 아니라, 그 조정에도 수고가 들기 때문에, 얻어지는 정밀도에 비해서는 높은 코스트가 든다는 문제가 있다.

다음에 부하 전압에 비례한 전류를 홀 소자의 입력단자에 흘리고, 부하 전류에 의한 자속을 홀 소자에 인가함으로써, 홀 소자의 출력으로부터 부하 전류와 부하 전압 양쪽에 비례관계를 갖는 전압을 얻는 전력 미터 기술(예를 들면, 특허문헌 2 참조)이 있다. 이 선행기술에서는 홀 소자를 사용하고 있기 때문에 부하 전류에 대한 감도가 나쁜 한편, 온도에 대한 변동이 크고, 게다가, 홀 소자는 개체차도 크기 때문에 저감도에서 저정밀도 밖에 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있다.

또한, 부하 전압에 비례한 전류에 의한 자계와 부하 전류에 의한 자계를 동일한 코어에 인가하여 그 자속을 자기센서에 의해 검출하는 센서를 2조 설치하고, 당해 일방의 센서로는 부하 전압 상당 신호와 부하 전류 상당 신호의 차분을 구하고, 타방의 센서로는 부하 전압 상당 신호와 부하 전류 상당 신호의 합분을 구하고, 또한 당해 양자의 2승차 연산을 전자회로에 의해 행하여 전력을 구하는 기술(예를 들면, 특허문헌 3 참조)이 있다. 이것은, 코어와 코일을 조합시킨 변류기를 2조 사용하지 않으면 안되는 점에서는, 전류검출용 트랜스(CT)와 전압검출 트랜스(PT)를 사용하여 검출하는 방법과 동일한 수의 변류기가 필요하다. 또, 이 기술에서는 변류기의 자속의 검출수단으로서, 자기센서를 사용한 플럭스 게이트 방식을 채용하고 있지만, 변류기를 2조 사용하기 때문에 당해 플럭스 게이트 회로도 2회로 필요하게 되고, 그 밖의 연산회로 등도 포함시키면 대규모의 회로가 불가결하다는 문제가 있다.

특허문헌 1: 일본 특개평1-162165호 공보

특허문헌 2: 일본 특개평11-108971호 공보

특허문헌 3: 일본 특개평8-304481호 공보

(발명이 이루고자 하는 기술적 과제)

본 발명은 이상의 선행기술을 감안하여, 자기센서를 일체 사용하지 않고, 1조의 센서에 의해 직류전력과 교류전력 쌍방의 전력을 계측할 수 있고, 또한 전력값 신호를 직접 출력하는 고감도이고 고정밀도인 전력센서를 제공하는 것을 과제로 한다.

(발명의 해결하기 위한 수단)

상기 과제를 해결하는 것을 목적으로 하여 이루어진 본 발명 전력센서의 제 1 구성은 양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양 끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기 브리지에 있어서, 상기 여자 코일(3)에 피측정 교류전력선(5)의 전압을 인가하고 이 전압에 비례한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 교류전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 피측정 교류전력선(5)의 전압위상과 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하도록 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본 발명 전력센서의 제 2 구성은, 양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기 브리지에 있어서, 상기 여자 코일(3)에 피측정 전력선(5)의 전압에 비례한 전류에 단속 또는 반전의 적어도 어느 하나의 처리를 시행한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 단속 또는 반전의 주기와 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하도록 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.

(발명의 효과)

종래의 교류용 전력계측은 부하 전압과 부하 전류를 별도의 트랜스(PT와 CT)로 각각 검출하고, 그 후 전자회로에 의해 전압과 전류를 승산하는 방법이었는데, 본 발명에서는 1개의 자기 브리지를 사용한 센서에 의한 검출부가 1개면 되고, 또한 전압과 전류와의 승산을 상기 1개의 검출부에서 물리적으로 행하기 때문에, 부품수의 삭감과 소형화가 가능하게 되는 것 이외에, 검출부는 코일과 코어만으로 구성되어 있기 때문에 코스트도 낮게 할 수 있다. 또한, 종래의 트랜스(PT와 CT)가 저주파에서 동작하고 있던 것과 비교하여, 본 발명은 그 1000배 이상의 높은 주파수에서 동작할 수 있기 때문에 새로운 소형화가 가능하게 된다.

또, 상기의 교류용 전력계측방법에서는 직류전력은 계측할 수 없었지만, 본 발명(청구항 2)에서는 직류전력의 계측도 가능하다. 즉, 종래의 직류전력의 계측에서는 비접촉이고 미약한 직류전류를 검출할 수 없었기 때문에, 직류의 전력을 비접촉으로 계측하는 것은 곤란했지만, 본 발명의 전류검출 능력은 본 발명자가 먼저 특허출원한 자기 브리지를 사용한 비접촉 타입의 전류센서에서도 증명되고 있는 자기 브리지를 사용하고 있으므로 고감도이며, 따라서, 교류전력은 물론, 미약한 전류의 직류전력도 비접촉으로 계측할 수 있다.

본 발명 전력센서의 검출부는 도 1에 예시한 코어에 코일을 감아서 형성한 자기 브리지(MB)를 사용한다. 이 자기 브리지(MB)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b와의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비하여 자기 브리지로 형성되어 있다.

본 발명 전력센서에서는, 상기 자기 브리지(MB)의 여자 코일(3)에 흘리는 여자전류를 규정하고, 피계측전력의 부하 전압에 비례한 전류를 흘리도록 했다.

상기의 여자 코일(3)에 흘리는 여자전류의 생성형태는 2가지 있다.

(i) 하나는, 피계측전력이 교류일 경우에 있어서만 가능한 방법으로, 피계측전력의 부하 전압으로 그대로 여자 코일(3)에 여자전류를 흘리는 방법이다. 이때 부하 전압에 비례한 전류를 형성하는 방법으로서는, 여자 코일(3)에 직렬로 저항을 넣어서 전류제한을 하는 방법이며, 이 방법이 가장 간소하고 또한 확실한 방법이다. 그러나, 이 방법으로는 직류전력은 계측할 수 없다(이하, 이 형태를 「직접 여자」라고 함).

(ii) 2번째는, 상기한 바와 같이 하여 얻어지는 전류를, (a) 별도 발생시킨 펄스 신호로 스위치를 제어하고, 여자 코일(3)에 흘리는 여자전류를 ON/OFF(통전/차단)함으로써 교번성분 자계를 발생시키는 방법, (b) 마찬가지로 별도 발생시킨 펄스 신호로 스위치를 제어하고, 여자 코일(3)의 접속을 반전시키고 여자전류가 반전됨으로써 교번 자계를 발생시키는 방법이다(이하, 이 형태를 「변조 여자」라고 함).

이 형태의 여자전류에 의하면 직류전력, 교류전력 모두 계측할 수 있다. 또, 이때 이용하는 펄스 신호의 주파수는 피계측전력의 주파수보다 충분히 크게 하는 것이 바람직하다. 이 주파수에 제한은 없지만, 피계측전력의 적어도 수 배보다 큰 것이 바람직하다. 펄스 신호의 주파수와 피계측전력의 주파수의 비율이 작아지면, 계측오차가 커지기 때문이다.

다음에, 본 발명 전력 센서의 동작 원리에 대해 설명한다.

도 1의 자기 브리지(MB)에서는, 여자 코일(3)에 흘리는 여자전류에 의한 자속이 피검출도선(5a)의 전류에 의해 검출 코일(4)측에 유출되고, 그 결과 검출 코일(4)에 기전력이 발생한다. 이 자기 브리지(MB)에서는, 당연하지만, 검출 코일(4)에 발생하는 기전력(이하 「검출신호」라고 함)은 피검출도선(5a)의 전류에 비례한다.

여기에서, 도 1의 자기 브리지(MB)의 검출 코일(4)에 기전력을 발생하는 자속의 발생원은 여자 코일(3)의 여자전류이다. 지금, 피검출전류가 일정하다면, 상기 여자 코일(3)의 여자전류를 증감하면 검출신호도 증감하는데, 즉 비례한다.

이것으로부터, 피검출전류를 어떤 값(x)으로부터 2배로 하면, 검출신호도 2배(x×2)로 되는 것을 알 수 있다. 한편, 상기의 상태에서 여자전류를 3배로 했다고 하면, 검출신호도 3배(x×2×3)로 되어, 결국 6배가 된다.

이것으로부터 알 수 있는 것은, 상기 자기 브리지(MB)의 검출 코일(4)에 발생하는 검출신호가 피검출전류와 여자전류의 상승값이 된다고 하는 것이다. 따라서, 피검출전류를 부하 전류로 하고, 여자전류를 부하 전압에 비례하도록 설정하면, 검출 코일(4)의 검출신호는 부하 전류와 부하 전압의 상승(相乘)값이 되어, 피계측 전력선의 전력에 비례한 신호가 얻어지게 된다.

상기의 동작 원리를 청구항 1의 본 발명 전력센서와 청구항 2의 본 발명 전력센서에 대해, 각각 설명한다.

청구항 1의 본 발명 전력센서에서는 여자전류의 형성이 앞에 기술한 직접 여자에 의해 이루어진다. 이 청구항 1의 본 발명 전력센서의 기본적 구성은, 도 2에 도시한 바와 같다. 도 2에서, 5는 피계측 교류전력선, 51, 52는 송전단자, 5a, 5b는 전력선(5)의 전류 도체, R은 수전측에 접속한 부하이다. 이 전력센서는, 피측정 전류 도체(5a)에 자기 브리지(MB)를 사용한 검출기(PS)를 세팅하고, 그 여자 코일(3)에 전압/전류 변환회로(35a)를 경유한 여자전류를 흘리고, 검출기(PS)의 검출 코일(4)에 얻어지는 검출신호를 동기 검출회로(35b)가 작용하는 검파회로(42)로 검파하여 전력신호 출력(Ws)를 얻는 구성이다. 이 센서에서는, 여자 코일(3)에 흘리는 여자전류를 피측정 교류전력선(5)의 전압에 비례시키는 것이 중요하고, 또, 여자전류는 교류전류인 것이 필요하다.

그리고 부하 전압이 교류일 경우에는, 그 전압에 비례한 전류는 교류전류가 되므로, 이 전류를 여자 코일(3)에 흘리고, 피검출전류로서 부하 전류를 상기 피측정 교류전력선(5)에 흘림으로써 검출 코일(4)의 검출신호에 전력에 비례한 신호(Ws)가 얻어진다.

단, 이 검출에서는 피검출전류가 교류이기 때문에, 검출 코일(4)의 검출신호에 이 피검출전류가 직접적으로 유도하는 신호도 포함된다. 그렇지만, 전력신호는 부하 전압의 2배의 주파수이며, 부하 전류의 2배이기도 하기 때문에, 상기 검출신호를 전자회로적 수단(디지털 신호처리를 포함함)에 의해 처리하여, 당해 2배의 주파수성분의 신호를 추출함으로써 계측하고 싶은 전력신호를 얻을 수 있다. 또한, 청구항 1의 발명에서는 부하 전압이 직류인 경우에는 계측할 수 없다.

덧붙여서, 부하 전류는 변형되는 일이 많아, 이 때문에 상기 2배의 주파수성분의 신호만을 계측할 것으로는 정확한 전력값은 계측할 수 없다. 또, 변형된 부하 전류(피검출전류)에는 2배 주파수성분도 포함되는 경향이 있으므로, 이것도 계측오차의 요인이 된다.

그러나, 부하 전류가 변형되지 않는 경우도 있으므로, 그러한 전류에 의한 전력을 계측하는 용도에는 청구항 1의 본 발명 전력센서이어도 충분하다. 이러한 문제를 해소한 뒤에, 또한 직류전력도 계측할 수 있는 센서가 후에 설명하는 청구항 2의 본 발명 전력센서이다.

다음에 청구항 1의 본 발명 전력센서의 원리적 동작을 도 3에 모식적으로 도시한 파형도에 의해 설명한다.

도 3에 도시한 각 파형에서, 「부하 전압 파형」은 도 2에 도시한 피계측 전력의 부하(R)에 인가되어 있는 전압의 파형이다. 도 3의 「부하 전류 파형」은 마찬가지로 피계측 전력의 부하(R)에 흐르고 있는 전류이다. 또한, 도 3의 「전력신호 파형」은 검출 코일(4)의 검출신호의 속에서 검파회로(42)에 의해 부하 전압의 2배의 주파수성분만을 추출한 신호의 파형이다.

상기의 전력신호(Ws)에는 전력정보가 포함되어 있는데, 그 내용은 다음과 같다. 우선, 피상전력은 전력신호의 진폭에 비례하고 있다. 다음에, 유효전력은 「부하 전압 파형」이 정확히 OV로 된 순간의 전력신호의 값에 비례하고 있다. 또, 유효전력은 다음과 같이 해도 구할 수 있다. 즉, 「부하 전압 파형」이 정확히 OV로 된 순간의 전력신호의 값을 0으로 하고, 「부하 전압 파형」 또는 「부하 전류 파형」의 1주기 동안의 전력신호를 적분 또는 평균하는 것이다. 그렇게 하면 얻어지는 값은 유효전력에 비례한 값이 된다. 파형에 변형이 있는 경우 등은 후자쪽이 계측정밀도가 높아진다.

다음에 청구항 2의 본 발명 전력센서의 동작에 대해 설명한다.

청구항 2의 본 발명 전력센서에 적용하는 여자전류의 생성(형성) 형태는 전술한 변조여자에 의한다. 이 때문에, 도 4에 기본구성을 도시한 청구항 2의 전력센서는, 도 2의 센서의 전압-전류 변환회로(35a) 대신, 피계측전류의 변조회로(31, 32)(도 6에 의해 아래에서 상세히 기술함)를 설치하는 동시에, 동기 검출회로(35b) 대신 상기 변조회로의 전환주파수를 위한 발진기(33)를 구비하고 있다.

따라서, 청구항 2의 전류센서에서는 여자전류의 주파수를 전원 주파수에 의존하지 않고, 발진기(33)에 설정한 주파수에 기초하여 구동되는 여자회로로부터 소정의 주파수로 여자한다. 이때 여자전류의 크기를 부하 전압에 비례한 전류로 한다. 즉, 여자 코일(3)은 소정의 주파수의 신호를 부하 전압으로 진폭 변조한 신호로 여자되게 된다.

상기 소정의 주파수는 피계측전류의 적어도 2배 이상은 필요하며, 될 수 있는 한 높은 쪽이 정밀도가 좋아진다. 실용적으로는 적어도 100배 이상으로 한 쪽이 바람직하지만, 그것보다 낮아도 상용할 수 없는 것은 아니다.

청구항 2의 본 발명 전류센서에서는 변조여자의 수단으로서 앞에 2가지(하나는 전류의 ON/OFF, 다른 하나는 방향을 반전) 거론했지만, 여기에서는 반전시키는 예에 대해 설명한다. 또한, 여자전류의 입절(入切)용(ON/OFF) 스위치나, 전류반전용 스위치는 실용적으로는 반도체 스위치를 사용하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것이 아니다.

도 4의 본 발명 전류센서를 상세하게 도시한 도 6에서, 스위치 SW1과 스위치 SW2는 동기하여 움직임과 동시에, 스위치 SW1이 하측에 접속하고 있을 때는, 스위치 SW2는 상측에 접속하도록 설정한다. 그리고, 스위치 SW1과 SW2는 구동회로(32)에 형성되는 여자신호로 제어되고, 당해 신호에 동기하여 동시에 반전하도록 설정한다.

도 5는 청구항 2의 본 발명 전력센서의 변조여자 방식에서의 각부의 파형을 모식적으로 도시한 것으로, 이 파형을 참조하여 이하에 청구항 2의 본 발명 전력센서의 동작을 설명한다.

우선, 파형의 설명을 한다. 도 5에서, 파형 1은 부하 전압 파형, 파형 2는 여자신호, 파형 3은 여자전류 파형이며, 여자신호(파형 2)를 부하 전압(파형 1)으로 진폭 변조한 것이다.

파형 4는 부하 전류 파형으로, 이 도면에서는 부하 전압(파형 1)보다 구간 A에서 나타내는 시간만큼 위상이 늦어져 있다. 파형 5는 검출 코일로부터 얻어지는 검출신호, 파형 6은 전력신호이고, 검출신호(파형 5)를 위상검파(복조)하여 얻어진다.

다음에 도 5의 파형을 참조하면서, 청구항 2의 본 발명 전력센서의 동작 원리를 상세하게 설명한다.

전력은 부하 전압과 부하 전류를 승산하여 얻어진다. 도 5에서의 계측전력은 부하 전압(파형 1)과 부하 전류(파형 4)를 승산한 것이며, 그 결과는 전력신호(파형 6)가 된다.

도 5에서는, 부하 전류(파형 4)는 부하 전압(파형 1)보다 위상이 늦어져 있다. 통상, 전력이 부하에 공급되는 경우, 부하의 임피던스가 순수한 저항인 경우에는 부하 전압과 부하 전류에 위상 어긋남은 일어나지 않지만, 일반적으로는 리액턴스를 포함하는 경우가 많으므로, 위상 어긋남이 일어난다. 리액턴스에는 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스가 있지만, 용량성 리액턴스를 갖는 용량성 부하의 경우에는, 부하 전류는 부하 전압보다 위상이 빠르고, 또, 유도성 리액턴스를 갖는 유도성 부하의 경우에는 부하 전류는 부하 전압보다 위상이 늦다. 따라서, 도 5에 예시한 파형은 유도성 부하의 경우의 일례이다.

전력에는, 유효전력과 무효전력과 피상전력이 있고, 부하에 있어서 에너지로서 이용할 수 있는 것은 유효전력이다. 전기적으로는, 유효전력은 순수한 저항성분에 의해 소비되는 전력이다. 무효전력은 리액턴스에 의해 에너지의 교환이 행해지는 전력이며, 에너지의 소비는 없다.

한편, 상기의 유효전력을 2승한 값과 무효전력을 2승한 값을 가산하고, 또한 그 평방근을 얻으면, 그 값이 피상전력이다. 그리고, 상기 유효전력을 피상전력으로 제산한 값을 「역률(力率)」이라는 부하의 평가에 사용할 수 있다.

이와 같이 교류전력의 경우에는, 부하의 역률을 고려하지 않으면 정확한 전력계측을 할 수 있었다고는 할 수 없다. 그래서, 이 설명에서는, 위상 어긋남이 있을 경우의 파형을 예로 든 것이다. 또한, 직류전력의 경우에는 이상의 설명중 유효전력뿐이므로, 역률을 고려하지 않아도 좋다.

도 5에서, 파형 1은 부하 전압이지만, 이 부하 전압은 도 4, 도 6의 전압단자 51과 전압단자 52에 인가된다. 파형 2의 여자신호는 도 6에 도시한 전류반전용 스위치(SW1·SW2)의 입절을 제어한다. 도 6에 도시한 상태는 스위치 SW1이 아래로 닫히고, 스위치 SW2가 위로 닫혀 있다. 이 상태를 가령 여자신호(파형 2)의 고레벨의 경우로 하면, 당해 신호(파형 2)가 저레벨인 경우에는 스위치 SW1이 위로 닫히고 스위치 SW2가 아래로 닫힌 상태로 된다. 이 전류반전용 스위치가 닫혀 있는 방향과 부하 전압의 위상이 어느 상태에 있는지에 따라 여자 코일(3)에 흐르는 전류의 방향은 바뀐다.

도 5의 구간 A와 B에서는 부하 전압(파형 1)이 네거티브로 되어 있고, 여자신호(파형 2)와 여자전류(파형 3)는 위상이 반전하여 역상(逆相)으로 되어 있는데, 구간 C와 D에서는 부하 전압이 포지티브로 되고 여자신호와 여자전류는 동상으로 되어 있다. 여자 코일에 흐르는 전류는 이 파형 3으로 나타내는 여자전류이다.

이러한 여자전류를 흘린 상태에서, 피검출 도선에 파형 4로 나타내는 부하 전류를 흘리면, 검출 코일(4)에 나타나는 검출신호는 여자전류의 2배의 주파수가 된다. 또 이 검출신호는 부하 전류가 정방향일 때와 역방향일 때에서는 위상이 반전된다.

도 5에서 구간 B와 C에서는, 부하 전류(파형 4)가 네거티브로 되어 있으므로, 검출신호(파형 5)는 여자전류(파형 3)에 대해 역상으로 된다. 또한 구간 D와 A에서는 부하 전류가 포지티브로 되어 있으므로, 검출신호(파형 5)는 여자전류(파형 3)에 대해 동상으로 된다.

여기에서, 여자신호(파형 2)에 대해 검출신호(파형 5)의 위상이 어떻게 되어 있는지, 또한 위상검파한 전력신호의 극성은 어떻게 될지 정리하면 다음과 같다.

우선, 구간 A에서는,

여자신호의 위상: 기준

↓

여자전류: 반전하여 역상(부하 전압이 네거티브이기 때문에 반전해 있음)

↓

검출신호: 여자전류에 대해 동상=여자신호에 대해 역상

↓

전력신호: 네거티브(여자신호에 대해 역상이기 때문에 위상검파 하면 네거티브가 됨)

구간 B에서는,

여자신호의 위상: 기준

↓

검출신호: 여자전류에 대해 역상(부하 전류가 네거티브이기 때문에 반전)=여자신호에 대해 동상(반전의 반전=동상)

↓

전력신호: 포지티브

구간 C에서는,

여자신호의 위상: 기준

↓

여자전류: 동상

검출신호: 여자전류에 대해 역상(부하 전류가 네거티브이기 때문에 반전)=여자신호에 대해 역상

↓

전력신호: 네거티브

구간 D에서는,

여자신호의 위상: 기준

↓

여자전류: 동상

↓

검출신호: 여자전류에 대해 동상=여자신호에 대해 동상

↓

전력신호: 포지티브

이상을 정리하면, 구간 A와 C에서 전력신호는 네거티브가 되고, 구간 B와 D에서는 포지티브가 되어, 전력신호는 파형 6과 같이 된다. 이와 같이 검출신호(파형 5)를 위상검파(복조)한 전력신호는 부하 전압과 부하 전류를 승산한 파형과 동일한 신호를 얻을 수 있다.

이 전력신호(파형 6)에서, 그 진폭은 피상전력에 비례하고, 평균값은 유효전력에 비례한다. 이와 같이 피상전력과 유효전력을 계측할 수 있으므로, 무효전력은 피상전력의 2승으로부터 유효전력의 2승을 빼고, 그 평방근으로서 얻어진다. 또, 역률은 유효전력을 피상전력으로 나움으로써 구해진다. 또한 부하 전압에 대한 부하 전류의 위상각(빠름 또는 늦음)은 역률의 역정접 함수로서 구해진다.

도 5의 전력신호의 파형은 각 시각의 순시 전력을 그린 것인데, 구간 A와 구간 C에서는 소비전력이 네거티브로 되어 있다. 소비전력이 네거티브라는 것은 전력을 소비하지 않고 공급하고 있는 것을 의미한다. 이것은, 리액턴스(콘덴서(캐패시턴스)나 코일(인덕턴스))에 일시 축적된 에너지가 방출되기 때문이다.

따라서, 전력공급을 하고 있는 파형의 네거티브의 부분과 동일한 양만큼 파형 윗부분을 상쇄하면 전체의 평균값은 전체 진폭의 중앙이 된다. 이것은 청구항 1의 본 발명 전력센서에서 참조한 도 3에 의해 기술한 것과 동일한 것을 나타내고 있다.

도 1은 본 발명 전력센서의 검출기에 사용하는 자기 브리지의 일례의 사시도,

도 2는 본 발명 전력센서의 일례의 기본 구성을 도시하는 블럭도,

도 3은 도 2의 전력센서에서의 각 부의 파형을 도시하는 파형도,

도 4는 본 발명 전력센서의 다른 예의 기본 구성을 도시하는 블럭도,

도 5는 도 4의 전력센서에서의 각 부의 파형을 도시하는 파형도,

도 6은 도 4의 본 발명 전력센서를 보다 구체적으로 도시한 블럭도,

도 7은 도 1의 자기 브리지의 등가회로,

도 8은 도 7의 자기 브리지의 등가회로,

도 9는 도 7 또는 도 8의 자기 브리지의 등가회로이다.

(부호의 설명)

MB 자기 브리지 1, 2 자기회로

21a, 22a, 21b, 22b 자기회로

3 여자 코일 SW1, SW2 스위치

31 스위치부 32 구동회로

4 검출 코일 41 연산증폭기

42 동기 검출부 5 피측정 교류전력선 또는 피측정 전력선

5a, 5b 피검출전류 도체

6 평활화(평균화) 회로

7 정류회로 PS 검출기

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

다음에 도 6에 의해, 변조 여자전류에 반전 방식을 채택한 본 발명 전력센서 에 대해 설명한다.

도 6에서, 5는 피측정 전력선이고, 자기 브리지(MB)를 사용한 검출기(PS)가 세팅되는 피검출전류 도체(5a와 5b)를 구비하고 수전단(受電端)에 부하(R)가 접속되어 있다. 또한, 51, 52는 전력선(5)의 송전단자이다. 3은 상기 검출기(PS)의 코어에 설치된 여자 코일이며, 이 여자 코일(3)에는, 상기 전력선(5)의 전류를 스위치부(31)에 의해 반전 처리한 전류가 흐른다. 스위치부(31)는, 일례로서 도시한 포토모스스위치(SW1, SW2)와 같은 반도체 스위치를 사용하고 있지만, 다른 형식의 스위치도 사용할 수 있다. 접속되는 전력선(5)과 스위치(SW1, SW2)의 사이에는, 전압-전류 변환작용을 하는 전류제한 저항(31R)이 삽입되어 있다.

상기 스위치부(31)에는, 그 반전 동작을 시키기 위해서 구동회로(32)가 접속되어 있지만, 이 구동회로(32)에는 발진기(33)로부터 일례로서 f=10KHz 정도의 직 사각형파가 공급되고, 상기 스위치부(31)에서의 양 스위치 SW1과 SW2의 반전 주파수를 규정하도록 스위치부(31)의 각 스위치(SW1, SW2)를 전환구동 한다.

한편, 상기 검출기(PS)에서의 검출 코일(4)에는 연산증폭기(41)에 의한 초기 증폭회로가 접속되고, 이 증폭기(41)의 출력이, 일례로서 아날로그 스위치와 연산증폭기로 구성한 동기 검파부(42)에서 검파됨으로써, 전력신호(Ws)로 형성된다. 상기 동기 검파부(42)에는, 발진기(33)로부터 구동회로(32)에 주어지는 스위치부(31)의 구동 주파수 f의 2배의 주파수 2f의 직사각형파가 동기 검파를 위한 참조신호로서 주어진다.

동기 검파부(42)에 얻어지는 전력신호(Ws)는 평활화(또는 평균화) 회로(6)에서, 그 직류성분을 구하는 작용에 의해 평활화(평균화) 되어 유효전력의 측정값으로서 출력된다. 또, 상기 전력신호(Ws)는 정류회로(7)에서 정류되고, 실효값을 구하고 피상전력으로서 출력된다. 또한, 도 6의 본 발명 전력센서의 피측정전류는 교류, 직류 어느 것이라도 좋다.

이상에 설명한 본 발명 전력센서에 사용한 도 1의 자기 브리지(MB)에 의한 검출기(PS)에서, 당해 검출기(PS)에 사용할 수 있는 자기 브리지(MB)는 도 1의 것에 한정되지 않는다. 즉 도 1의 자기 브리지(MB)의 등가회로는 도 7에 도시하는 바와 같은데, 이 회로는 도 8이나 도 9에 도시하는 회로와 등가이기 때문에, 이러한 회로형태를 취하는 자기 브리지(MB)도 본 발명 전력센서의 검출기(PS)로서 사용할 수 있다. 도 7∼도 9에서, Rma, Rma1, Rma2, Rmb, Rmb1, Rmb2는 자기저항이며, 각 자기저항은 Rma=Rma1+Rma2, Rmb=Rmb1+Rmb2이며, Rma1=Rma2, Rma1=Rmb1, Rma2=Rmb2의 관계를 갖는 것이다.

본 발명 전력센서는 전술한 바와 같으며, 전력센서에 양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기 브리지를 사용하고, 이 자기 브리지를 피측정 교류전력선에 세팅하고, 상기 여자 코일(3)에 피측정 교류전력선(5)의 전압을 인가하고 이 전압에 비례한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 교류전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 피측정 교류전력선(5)의 전압위상과 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하거나, 또는, 상기 자기 브리지(MB)를 피측정 전력선(5)에 세팅하고, 여자 코일(3)에 피측정 전력선(5)의 전압에 비례한 전류에 단속 또는 반전의 적어도 어느 하나의 처리를 시행한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 단속 또는 반전의 주기와 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하도록 했으므로, 전류와 전압을 하나의 검출기에 의해 검출할 수 있고, 또, 상기 검출값을 이 본 발명 센서로 물리적으로 승산처리 하여 전력측정값을 얻을 수 있으므로, 소형이고 간이한 구조의 전력센서를 제공할 수 있다.

Claims

양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기 브리지에 있어서, 상기 여자 코일(3)에 피측정 교류전력선(5)의 전압을 인가하여 이 전압에 비례한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 교류전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 피측정 교류전력선(5)의 전압위상과 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파하도록 형성한 것을 특징으로 하는 자기 브리지형 전력센서.
양끝을 갖는 1개의 자기회로(1)와, 이 자기회로(1)의 일방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속한 양끝을 갖는 자기회로(21a, 21b)와, 상기 자기회로(1)의 타방의 끝에 각각의 일방의 끝을 접속하고 또한 타방의 끝을 상기 자기회로(21a, 21b)에 각각 접속한 양끝을 갖는 자기회로(22b, 22a)와, 상기 자기회로 21a와 22b의 접속점과 상기 자기회로 21b와 22a의 접속점에 각각 접속한 양끝을 갖는 1개의 자기회 로(2)와, 당해 자기회로(2)에 자속을 발생할 수 있도록 배열 설치한 여자 코일(3)과, 상기 자기회로(1)의 자속을 검출할 수 있도록 배열 설치한 자속검출 코일(4)을 구비한 자기 브리지에 있어서, 상기 여자 코일(3)에 피측정 전력선(5)의 전압에 비례한 전류에 단속 또는 반전의 적어도 어느 하나의 처리를 시행한 전류를 흘리고, 또한, 피검출전류 도체(5a)에 상기 피측정 전력선(5)의 전류를 흘리고, 상기 검출 코일(4)의 출력을 상기 단속 또는 반전의 주기와 동기한 2배의 주파수의 신호로 동기 검파 하도록 형성한 것을 특징으로 하는 자기 브리지형 전력센서.