KR20100001504A - 전류센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 '3Core - 4Winding' 방식의 'Closed loop' 전류센서를 제공하여, 'Flux gate' 방식의 전류센서에서 가장 문제가 되었던 자화전류를 발생시키기 위한 교류변조신호의 주파수 성분이 혼재한 출력신호의 고조파리플성분을 저대역통과필터가 아닌 역보상 가능한 코일을 이용하여 보상함으로써, 직류는 물론 교류의 전류까지도 측정할 수 있으며, 출력신호에 포함된 리플성분만이 아니라 오프셋(Offset) 편차분까지도 상쇄되어 측정대상전류의 변화만이 출력에 나타나게 함으로써, 주파수응답특성과 위상특성을 향상시킬 수 있는 것이다.

따라서, 전류센서의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 전류센서에 의해 다양한 전자제품 및 설비 등에 대한 테스트 및 점검 등을 수행함으로써, 해당 전자제품 및 설비의 신뢰성 또한 향상시킬 수 있다.

전류센서, 3 Core - 4 Winding, Closed loop, 고조파, 고주파, 리플성분

Description

전류센서{Current sensor}

본 발명은 전류센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전류성분을 측정함에 있어, 간접측정 방식이면서도 직류전원뿐만 아니라 위상변화가 빠른 교류전원에 대해서도 향상된 정확성(<±0.005%), 선형성(<5ppm), 안정성(<1ppm/K) 등을 제공함으로써, 제품의 신뢰성 및 향상된 성능을 제공할 수 있는 전류센서에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 3 Core - 4 Winding 방식의 Closed loop 전류센서로, 'Flux gate' 기술을 이용하는 것으로, 다양한 위상을 갖는 전류를 측정할 수 있도록 광대역주파수 특성을 갖도록 한 것이다.

일반적으로, 흐르는 전류를 측정하는 방법으로는, 전류가 흐르는 도선에 직접 계측장치를 연결하여 측정하는 직접측정방법과 도선주위의 전자기장을 측정하여 흐르는 전류를 측정하는 간접측정방법이 있다.

그러나, 직접측정방법은 측정대상이 되는 전원과 신호전원을 전기적으로 절연시킬 수 없다는 문제점을 가지고 있으며, 이를 해결하기 위한 것이 간접측정방법이다.

간접측정방법의 대표적인 예로는 'Flux gate' 방식을 이용하는 'Closed loop' 전류센서가 있으며, 'Flux gate' 방식은 자속분포변화에 의한 유도기전력의 차이를 이용하는 기술로 두개의 코어에 감긴 각각의 일차코일에 교류자화방향이 서로 반대방향이 되도록 교류전류를 가하면, 외부자장이 없을 경우 두 코어의 자속의 합이 영이 되지만, 외부자장이 있을 경우, 두 코어의 자속이 서로 다르게 되어 이차코일에 기전력이 발생되고, 이 기전력으로부터 외부자기장을 측정하는 방식이다. 다시 말해, 외부자기장을 측정하는 'Flux gate' 방식은 상기 이차코일의 용도를 다르게 하여 전류센서로 구성이 가능하다.

'Flux gate' 방식을 이용하는 'Closed loop' 전류센서의 기본 구성은, 서로 다른 두 개의 원형코어와, 각각의 코어에 권선되는 유도코일 및 측정전류가 출력되는 코일 등을 포함하며, 이에 대한 간단한 동작설명은 다음과 같다.

동일 특성의 자성체에 서로 반대방향으로 동일 권선의 코일을 권선하고, 교류 변조신호인 자화전류를 흘리면, 측정대상전류가 '0'인 상태에서는 각 코일의 출력전류는 평형을 유지하게 된다.

이때 측정대상전류가 일정한 값으로 전류가 흐르게 되면, 두 자성체의 평형이 깨어지면서 측정대상전류에 비례하는 자속(기전력)이 발생하게 된다.

자속의 편차분(기전력에 의한 변화값)은 두 유도코일의 편차출력으로 발생하는데, 그 편차 분은 차동앰프를 통해 귀환전류를 만들고, 측정대상전류에 대응하는 귀환전류를 출력코일을 통해 서로 역으로 흐르면서 'Closed loop'를 형성한다.

이때, 역으로 흐르는 귀환전류가 출력신호가 되어 측정대상전류와 동일형상의 비례출력이 형성되어 전류센서로서 동작하게 되는 것이다.

한편, 간접측정방식의 다른 하나인 ‘홀 소자를 이용한 Closed loop 전류센서’는, 통상적으로 ±0.1% 이하의 정확성을 나타낼 수 있으나, 하나의 귀환코일과 연동하는 자성체의 히스테리시스(Hysteresis) 특성, 제로(Zero) 밸런스 유지에 영향을 끼치는 홀 소자의 오차영향 등, 소자들이 가지는 오차특성에 의한 영향에서 완전히 벗어날 수는 없다. 특히, 홀 소자를 이용할 경우 온도 특성이 나쁘며 저 전류 측정에는 선형도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

따라서, 상기한 'Flux gate'형 'Closed loop' 전류센서의 특징은, 매우 안정된 'Offset' 특성과 정확성을 보장받을 수 있으며, 이는 홀 소자를 사용하는 'Closed loop' 전류센서의 단점을 극복하는 것도 가능하다.

그러나, 상기와 같은 'Flux gate'형 'Closed loop' 전류센서의 경우에도, 각 유도코일에 투입된 교류변조신호인 구형파 주파수가 측정저항 및 귀환코일에 유입되어 출력에 리플을 증가시키게 되어, 측정값에 오차성분으로 작용함은 물론, 측정대상전류에 영향을 미치는 경우가 발생하며, 이를 문제점을 해결하고자, 출력신호에 혼재된 리플 제거를 위하여 저대역통과필터(Low pass filter)를 구성하게 되는데, 이 경우 교류성분이 필터링되어 직류전류측정만이 가능해지게 되는 것이다.

한편, 전기에너지의 전류측정 기술은 모든 전기/전자/전력 장비 혹은 설비에 대한 제품의 신뢰성 및 성능향상은 물론, 전력품질을 확인하는 대단히 중요한 요소가 되는 부분이기 때문에, 상기와 같은 문제점을 해결하고 보다 안정되고 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 직류는 물론 교류의 전류도 측정가능한 전류측정장치가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 안출된 것으로, '3Core - 4Winding' 방식의 'Closed loop' 전류센서를 제공하여, 'Closed loop' 방식의 전류센서에서 가장 문제가 되었던 자화전류를 발생시키기 위한 교류변조신호의 주파수 성분이 혼재한 출력신호의 고조파리플성분을 제거함으로써, 측정값에 대한 정확도 및 신뢰성을 보장할 수 있는 전류센서를 제공하는데 목적이 있다.

특히, 고조파리플성분을 저대역통과필터가 아닌 역보상 가능한 코일을 이용하여 보상함으로써, 직류는 물론 교류의 전류까지도 측정이 가능해질 수 있는 전류센서를 제공하는데 목적이 있다.

더하여, 직류전원뿐만 아니라 위상변화가 빠른 교류전원에 대해서도 향상된 정확성(<±0.005%), 선형성(<5ppm), 안정성(<1ppm/K) 등을 보장할 수 있는 전류센서를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 전류센서는, 제1 코어 및 제2 코어와, 상기 제1 코어 및 제2 코어에 반대극성을 갖도록 권선되는 제1 코일 및 제2 코일을 포함하며, 상기 제1 코일 및 제2 코일에 구형파전류을 인가하여 자속을 발생시키는 유도부와, 상기 제1 코어 및 제2 코어에 동시에 권선되는 제3 코일을 포함하며, 상기 제1 코어 및 제2 코어에 유도된 자속의 변화에 대응하여 상기 제3 코일에 유도되는 전류를 감지하는 전류검출부와, 상기 제1 코일 및 제2 코 일에 인가되는 구형파전압과 전류검출부의 검출 시점을 대응시키는 교류의 동기화전류를 출력하는 동기화부 및 상기 동기화부에서 출력되는 교류의 동기화전류를 입력받아 상기 제3 코일에 의해 발생하는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화전류를 상기 전류검출부에 공급하는 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 코어 및 제2 코어와 동일한 전기적 특성을 갖는 제3의 코어를 더 포함하고, 상기 전류검출부의 제3 코일이 상기 제1 코어 내지 제3의 코어를 걸쳐 권치되며, 상기 보상부는 상기 제3 코일에 흐르는 고조파 성분의 리플전류에 의해 제3의 코어로 유도되는 자속을 전류로 유도하는 제4 코일을 포함하며, 상기 제4 코일에 유도되는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화전류를 상기 전류검출부에 공급하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 동기화부는, 상기 유도부의 제1 코일 및 제2 코일로 인가되는 구형파전류의 고조파 성분을 감지하는 고조파검파기를 포함하며, 상기 고조파검파기가 감지결과에 대응하여 교류의 동기화전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는, 고조파검파기에서 출력되는 교류의 동기화전류에 포함된 고주파성분을 제거하는 저대역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 보상부는, 상기 저대역통과필터를 통과하여 고주파성분이 제거된 교류의 동기화전류와 제4 코일에 유도되는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 입력받아, 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화 전류를 출력하여 상기 전류검출부에 공급하는 OP-AMP를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 'Flux gate' 방식의 전류센서에서 가장 문제가 되었던 자화전류를 발생시키기 위한 교류변조신호의 주파수 성분이 혼재한 출력신호의 고조파리플성분을 제거함으로써, 측정값에 대한 정확도 및 신뢰성을 보장할 수 있는 것이다.

특히, 고조파리플성분을 저대역통과필터가 아닌 역보상 가능한 코일을 이용하여 보상함으로써, 직류는 물론 교류의 전류까지도 측정이 가능해질 수 있다.

이때, 출력신호에 포함된 리플성분만이 아니라 오프셋(Offset) 편차분까지도 상쇄되어 출력되므로, 주파수응답특성과 위상특성을 향상시킬 수 있는 것이다.

다시 말해, 제3의 코어 및 제4 코일에 의해 리플성분 및 오프셋 편차분이 상쇄되는 구조이므로, 전류센서 내부에서 나타나는 각종의 오차요인은 전혀 발생하지 않고, 측정대상전류의 변화만이 출력에 나타나게 함으로써, 고도의 선형성과 안정성, 직선성을 확보하는 효과가 있다.

따라서, 전류센서의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 전류센서에 의해 다양한 전자제품 및 설비 등에 대한 테스트 및 점검 등을 수행함으로써, 해당 전자제품 및 설비의 신뢰성 또한 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 전류센서에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서 는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 전류센서의 개념을 설명한 개념도로서, 동일한 전자적 특성을 갖는 원형링 형태의 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2) 및 제3 코어(M3)가 구성되며, 상기 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2)에는 구형파전류가 인가되는 제1 코일(S) 및 제2 코일(S')이 권선되고, 측정대상전류에 의한 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2)의 자속변화를 감지하기 위한 제3 코일(C)이 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2) 및 제3 코어(M3)를 동시에 권선하도록 구성된다.

따라서, 제3 코일(C)의 출력전류에 의한 전압을 측정하면, 상기 측정대상전류를 측정할 수 있게 된다.

이때, 제3 코일(C)에 흐르는 전류에는 고조파 성분의 리플전류(리플성분)를 포함하게 되는 바, 제3의 코어(M3)에 권선되는 제4 코일(W)은 제3 코일에 포함된 고조파 성분의 리플전류를 감지하여, 이에 기초하여 제3 코일(C)에 흐르는 전류를 보상하게 된다.

따라서, 고조파 성분의 리플전류를 상쇄할 수 있어, 제3 코일(C)로 출력되는 전류의 주파수응답특성과 위상특성을 향상시킬 수 있는 것이다.

도 2는 도 1의 개념을 구현한 전류센서의 실시 예를 나타낸 회로도로서, 유도부(10), 전류검출부(20), 동기화부(30), 보상부(40)로 구성되며, 하기에서는 각 부에 구성된 회로의 소자를 중심으로 설명한다.

우선, 동일한 특성의 원형코어인 제1 코어(M1) 및 제2 코어(M2)에 제1 코일(11) 및 제2 코일(12)를 서로 반대방향의 동일 권선 수로 권선한다.

그리고, 리플제거 목적의 제3 코어(M3)는 설정 비율에 따른 제4 코일(44)을 제3 코일(23)과 반대되는 방향으로 권선한다.

다시 말해, 측정대상이 되는 전류 'Ip'와 비례하여 'Zero flux'를 구현하는 귀환 코일인 제3 코일(23)은 'Ip=NㆍIc'가 성립되도록 제1 코어(M1) 내지 제3 코어(M3)를 적층한 형태에서 제4 권선(44)과 반대되는 방향으로 동시에 권선한다.

이렇게 나란히 겹친 코어 중 제1 코어(M1) 및 제2 코어(M2)에 서로 반대방향으로 감긴 제1 코일(11) 및 제2 코일(12)에 교류변조신호인 구형파전류를 인가하여 발생하는 자속을 'ФP'라 하고, 제3 코일(23)에 의해 발생하는 자속을 'ФC'라 하면, 하기의 수학식 1에 근거하여 반대하는 자기력선속에서 'ФP-ФC=0'의 예외적인 보상을 위해 피크검출기를 활용하여 'Ф=0'을 구현할 수 있게 된다.

Nc × Ic = Np × Ip

이러한 구현은 도 3에 나타난 히스테리시스(Hysteresis) 곡선을 비교하여 구현할 수 있으며, 자화곡선 'B=f(H)'에서 주어진 H1을 위한 'ΔB1=ΔB2'를 관찰하면 'ΔH2'의 변화분이 훨씬 크게 나타남을 알 수 있다.

이러한 히스테리시스 특성에 의하여, 도 4의 a)와 같은 교류변조 신호인 구형파전압이 제1 코일(11) 및 제2 코일(12)에 인가될 경우, 도 4의 b)와 같은 '+Up'와 '-Up'의 피크를 갖는 전류를 발생시킨다. 다시 말해, 'Vp+' 및 'Vp-'와 같은 임펄스형태의 파형이 포함되게 된다. 여기서, 도 4의 c)에 나타난 파형은 Ip가 '0'이 아닌 경우, 제1 코어(11) 및 제2 코어(12)에 발생되는 파형으로 b)와 c)의 차이에 의해 측정대상전류를 검출하게 된다.

'Closed loop'를 형성하기 위해, 측정대상전류 'ΔIp'에 의해 발생하는 자속 'ΔФp'는 항상 '0'이어야 한다.

'Zero flux'의 실현은 이러한 'ΔH1<ΔH2'의 변화분으로 인해 가능해진다.

측정저항(RS)(RS')을 통해 '+Up'과 '-UP'의 전압을 검출하게 되면, 'Zero'와 피크전압(+Up, -Up)에 관한 조직적인 전압량을 제공할 수 있게 된다. 이를 식으로 표현하면 수학식 2 내지 수학식 5와 같다.

Vp1 = RsIp1, Vp2 = Rs'Ip2

여기서, 'Rs=Rs''가 되게 하고, 동일특성의 자성체코어와 권선을 했을 경우, 'Vp1 = Vp2'가 되며, 이때의 출력 'Vs'는,

Vs=kVp(Vp2-Vp1)

여기서, 'k'는 증폭기의 이득(Gain)을 나타내며, 측정전류 'Ip'에 의해 'Ip1<Ip2'가 되면,

Vs=+kVp

가 되고, 'Ip1>Ip2'가 되면,

Vs=-kVp

가 된다. 여기서, 제1 코일(11)을 통해 흐르는 전류를 'Ip1', 제2 코일(12)을 통해 흐르는 전류를 'Ip2', 'Ip1'의 피크검출을 위한 저항을 'Rs', 'Ip2'의 피크검출을 위한 저항을 'Rs'', 제1 코일(11)을 통해 나타난 전압을 'Vp1', 제2 코일(12)을 통해 나타난 전압을 'Vp2', 'Vp1'과 'Vp2'의 차에 대한 출력을 'Vs'라 한다.

'Zero'와 피크전압(+Up, -Up)에 관한 조직적인 전압량인 'Vs'는, 교류변조신호와 동기하여 도 2의 고조파검파기(Harmonic Detector)(31)와 저대역통과필터(Low pass filter)(32)를 통해 'Ф=0'을 실현하기 위한 귀환코일인 제3 코일(23)의 출력전류 드라이브 단에 제공된다.

이때, 'Ф=0'을 실현하기 위한 제3 코일(23)의 출력전류는 교류변조신호를 포함하는 고조파 성분의 리플은 여과되지 않고 나타나는데, 교류성분의 리플은 제3의 코어(M3)에 권선된 제4 코일(44)에 의해서 자화되어 기전력으로 발생하게 된다.

상기 발생된 기전력은 저항 'Rw'를 통해 전압으로 변환되고, 가변이득으로 조정된 다음 출력전류 드라이브단인 제3 코일(23)측의 귀환신호로 입력되어 그 성분을 상쇄하는 목적으로 활용된다.

이는 'Closed loop'상에서 실현됨으로, 궁극적인 출력신호에는 어떠한 리플성분도 포함되지 않는 신호가 형성되는 것이다.

또한, 상기와 같이 제3 코어(M3) 및 제4 코일(44)에 의해 주파수 응답특성만이 개선함으로 인해, 저대역통과필터(32)의 통과대역을 확장할 수 있게 되며, 그로 인해, 직류전류뿐만 아니라 교류전류의 측정까지도 가능해지는 것이다.

따라서, 본 발명에 의한 전류센서를 이용하게 되면, 다양한 위상측정이 요구되는 전류센서에서는 보다 적극적인 활용이 가능하며, 응답특성을 저하시키지 않고서도 고질적인 고주파 성분의 리플출력을 제거할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 본 발명의 제3 코어(M3) 및 제4 코일(44)에 의해 주파수 응답특성만이 개선되는 것뿐만 아니라, 직선성, 선형성, 정확성, 안정성, 저 노이즈 특성까지 향상될 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명에 의한 전류센서에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 의한 전류센서의 개념을 설명한 개념도이다.

도 2는 도 1의 개념을 기초로 한 전류센서의 실시 예를 나타낸 회로도이다.

도 3은 도 2의 제1 코어 및 제2 코어에 유도되는 자속을 나타낸 그래프이다.

도 4a는 도 2의 제1 코어 및 제2 코어에 인가되는 구형파전압을 나타낸 그래프이다.

도 4b는 도 4a의 구형파전압이 제1 코일 및 제2 코일을 거쳐 출력되는 고조파성분이 포함된 구형파전류를 나타낸 그래프이다.

도 4c는 도 4b가 측정대상전류의 변화에 반응하는 구형파전류를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 유도부 11 : 제1 코어

12 : 제2 코어 20 : 전류검출부

23 : 제3 코어 30 : 동기화부

31 : 고조파검파기 32 : 저대역통과필터

40 : 보상부 44 : 제4 코어

Claims (5)

1. 제1 코어 및 제2 코어와,

   상기 제1 코어 및 제2 코어에 반대극성을 갖도록 권선되는 제1 코일 및 제2 코일을 포함하며, 상기 제1 코일 및 제2 코일에 구형파전류을 인가하여 자속을 발생시키는 유도부와,

   상기 제1 코어 및 제2 코어에 동시에 권선되는 제3 코일을 포함하며, 상기 제1 코어 및 제2 코어에 유도된 자속의 변화에 대응하여 상기 제3 코일에 유도되는 전류를 감지하는 전류검출부와,

   상기 제1 코일 및 제2 코일에 인가되는 구형파전압과 전류검출부의 검출 시점을 대응시키는 교류의 동기화전류를 출력하는 동기화부 및

   상기 동기화부에서 출력되는 교류의 동기화전류를 입력받아 상기 제3 코일에 의해 발생하는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화전류를 상기 전류검출부에 공급하는 보상부를 포함하는 전류센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 코어 및 제2 코어와 동일한 전기적 특성을 갖는 제3의 코어를 더 포함하고, 상기 전류검출부의 제3 코일이 상기 제1 코어 내지 제3의 코어를 걸쳐 권치되며,

   상기 보상부는 상기 제3 코일에 흐르는 고조파 성분의 리플전류에 의해 제3 의 코어로 유도되는 자속을 전류로 유도하는 제4 코일을 포함하며, 상기 제4 코일에 유도되는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화전류를 상기 전류검출부에 공급하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 동기화부는,

   상기 유도부의 제1 코일 및 제2 코일로 인가되는 구형파전류의 고조파 성분을 감지하는 고조파검파기를 포함하며,

   상기 고조파검파기가 감지결과에 대응하여 교류의 동기화전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
4. 제 3항에 있어서,

   고조파검파기에서 출력되는 교류의 동기화전류에 포함된 고주파성분을 제거하는 저대역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 보상부는,

   상기 저대역통과필터를 통과하여 고주파성분이 제거된 교류의 동기화전류와 제4 코일에 유도되는 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 입력받아, 고조파 성분의 리플전류에 대응하는 전류를 보상한 교류의 동기화전류를 출력하여 상기 전 류검출부에 공급하는 OP-AMP를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.

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