KR20100010200A - 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법 - Google Patents

교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 매개표준기(마이크로포텐시오미터)인 저전압측정표준기와 저전압 교류-직류 변환기(피측정변환기) 사이에 부하저항을 추가로 구성하여 측정된 교류-직류변환오차(교직차)로부터 피측정변환기의 입력저항과 전기용량을 정밀측정함으로써, 피측정변환기의 입력임피던스를 평가한 다음, 피측정변환기의 입력저항의 부하효과에 의한 교직차를 보정할 수 있게 되어 보정오차를 현저하게 줄여 보다 정밀한 교류 저전압을 측정할 수 있는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 실현하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치는, 교류전압을 직류전압과 등가적으로 변환시켜주는 매개표준기인 저전압측정표준기(30); 저전압측정표준기(30)의 출력측에 연결된 피측정변환기(50); 저전압측정표준기(30) 및 피측정변환기(50)의 출력 직류전압을 각각 측정하기 위한 제1 및 제2전압계(10,20); 저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50) 사이에 설치되는 부하저항(R L ); 및 부하저항(R L )에 따른 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )로부터 피측정변환기(50)의 입력임피던스를 구하여 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 평가하고 시스템을 제어하는 제어부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
저전압측정표준기(마이크로포텐시오미터), 저전압 교류-직류 변환기, 교류-직류 변환차(교직차), 부하효과, 입력 임피던스

Description

교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법{Evaluation System for an Input Impedance of AC-DC Transfer Instrument and the Method therewith}
본 발명은 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로포텐시오미터를 매개표준기로 이용하여 200㎷ 이하의 전압범위에 대한 교직차를 평가할 수 있는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법에 관한 것이다.
일반적으로 주파수 대역이 10㎐~1㎒에서의 교류전압의 1차 표준은 정확도가 높은 직류전압에서 유도되기 때문에 교류전압을 등가적으로 동일한 크기의 직류전압으로 변환시키기 위해서는 교류-직류 변환기를 필요로 한다.
교류-직류 변환기는 여러 가지 방식이 있으며 최근에는 사용전압 및 주파수 범위가 넓고 교류-직류의 변환차이(교직차)가 작은 열전형 전압변환기(Thermal Voltage Converter; TVC)를 교류전압의 1차 표준을 확립하는데 많이 이용되고 있다. 열전형 전압변환기는 정격전압이 0.5~1000V이고 주파수 대역 10㎐~1㎒에서 교류-직류 변환기로 많이 이용되고 있다.
그러나, 종래의 열전형 전압변환기는 최소 정격전압이 0.5V이기 때문에 산업체에서 가장 많이 사용되는 200㎷ 미만에서 교류-직류 변환기를 교정하기 위한 표준기로는 이용할 수 없는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 더욱 상세하게는 매개표준기(마이크로포텐시오미터)와 피측정변환기 사이에 부하저항을 추가로 구성하여 측정된 교직차로부터 피측정변환기의 입력저항과 전기용량을 정밀측정함으로써, 피측정변환기의 입력임피던스를 평가한 다음, 입력저항의 부하효과에 의한 교직차를 보정할 수 있게 되어 보정오차를 현저하게 줄여 보다 정밀한 교류 저전압을 측정할 수 있는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치 및 그 평가방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 실현하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치는,
교류전압을 직류전압과 등가적으로 변환시켜주는 매개표준기인 저전압측정표준기(30);
저전압측정표준기(30)의 출력측에 연결된 피측정변환기(50);
저전압측정표준기(30) 및 피측정변환기(50)의 출력 직류전압을 각각 측정하기 위한 제1 및 제2전압계(10,20);
저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50) 사이에 설치되는 부하저항(R L ); 및
부하저항(R L )에 따른 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )로부터 피측정변환기(50)의 입력임피던스를 구하여 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 평가하고 시스템을 제어하는 제어부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 및 제2전압계(10,20)는 각각 디지털 전압계인 것을 특징으로 한다.
또한, 저전압측정표준기(30)는 열전변환기의 히터저항(R h ), 및 히터저항(R h )과 직렬로 연결되는 출력저항(R m )을 포함하여 이루어진다. 그리고, 저전압측정표준기(30)는 정격전압 범위가 2~200㎷인 마이크로포텐시오미터인 것을 특징으로 한다.
또한, 피측정변환기(50)는 출력저항(R m )의 양단으로부터 인가되는 저전압을 입력받으며 서로 병렬로 연결된 전기용량(C inp )과 입력저항(R inp )을 포함하는 등가회로를 포함한다.
또한, 부하저항(R L )의 가변 저항값은 각각 단락, 50Ω 및 150Ω중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법은,
저전압측정표준기(30)에 교류전압을 인가하는 제1단계(S100);
일정한 시간간격으로 입력전압을 직류 및 교류로 바꾸어가면서 저전압측정표준기(30), 및 저전압측정표준기(30)의 출력저항(R m )과 병렬연결된 피측정변환기(50)의 출력 직류전압을 제1 및 제2전압계(10,20)로 각각 측정하는 제2단계(S200);
저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50) 사이에 설치된 부하저항(R L )의 저항값을 달리하여 연결하고, 제1단계(S100) 및 제2단계(S200)를 반복 수행하여 각 저항값에 대한 각각의 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )를 측정하는 제3단계(S300);
각 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )로부터 입력저항(R inp ) 및 전기용량(C inp )를 계산하는 제4단계(S400); 및
입력저항(R inp ) 및 전기용량(C inp )로부터 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 계산하는 제5단계(S500);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 주파수의 증가에 따라 피측정변환기의 입력저항값의 감소에 의한 부하효과로 인한 교직차가 발생하더라도 이 교직차를 보상할 수 있기 때문에 200㎷ 이하의 전압에서도 정확한 교직차를 구할 수 있다.
2) 부하저항을 추가 삽입하여 각각 교직차를 측정하기 때문에 피측정변환기의 전기용량, 입력저항, 부하효과에 따른 교직차 및 저전압측정표준기의 교직차를 동시에 측정하여 평가할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
(구성)
도 1은 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따르는 입력임피던스 평가장치는 저전압 교류의 교직차를 측정하기 저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50)를 포함하여 이루어진다. 저전압측정표준기(30)는 인가된 전류를 열전변환시켜 주기 위한 히터저항(R h ) 및 열전대(T/C)와, 입력전류를 등가적인 전압으로 변환시켜 주는 출력저항(R m )을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 저전압측정표준기(30)로는 200㎷ 이하의 전압에서도 측정 가능한 마이크로포텐시오미터를 이용할 수 있다.
피측정변환기(50)는 저전압측정표준기(30)의 출력저항(R m )과 병렬로 연결된다. 특히, 피측정변환기(50)의 입력임피던스는 입력저항(R in )과 전기용량(C in )이 병렬연결된 등가회로를 포함하여 구성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 피측정변환기(50)로는 저전압 교직변환기(Low Voltage AC-DC Transfer Standard; LVTS)를 이용할 수 있다.
특히, 본 발명의 입력임피던스 평가장치는 저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50) 사이에 부하저항(R L )을 더 구성하게 된다. 부하저항(R L )은 무유도성 저항을 이용하게 되며, 본 발명에서는 가변저항을 이용하는 것을 일예로 들어 설명하고 있으나, 각각 다른 저항값을 갖는 2개 이상의 저항을 구비하여 교직차를 얻는데 이용하는 것이 바람직하다. 이때의 부하저항(R L )은, 후술할 실시예에서와 같이, 무저 항상태 즉 단락, 50Ω 그리고 150Ω인 경우와 같이 3개의 저항값을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 입력임피던스 평가장치는 저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50)의 출력전압을 측정하기 위한 제1 및 제2전압계(10,20)를 포함한다. 제1 및 제2전압계(10,20)는 출력되는 직류전압을 측정하게 되며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제1 및 제2전압계(10,20)를 각각 디지탈 전압계를 이용하여 보다 세밀한 측정이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 본 발명의 입력임피던스 평가장치는 제어부(40)를 포함한다. 제어부(40)는 상술한 각 구성요소들을 제어하며, 이들로부터 측정된 측정값을 통해 교직차 및 입력임피던스의 계산 등을 처리하게 된다. 이러한 계산 과정에 대해서는 후술하는 평가방법에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
(평가방법)
도 2는 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
제1단계(S100)는 저전압측정표준기(30)에 교류전압을 인가하는 단계이다. 인가된 교류전압은 저전압측정표준기(30)의 열전변환기의 히터저항(R h ) 및 열전대를 통하여 열전변환이 이루어지고, 입력전류에 비례하는 전압이 출력저항(R m )에서 발생되어 피측정변환기(50)에 인가된다.
제2단계(S200)는 일정한 시간간격으로 입력전압을 직류 및 교류로 바꾸어가면서 저전압측정표준기(30) 및 피측정변환기(50)의 직류 출력전압을 각각 측정하는 단계이다. 저전압측정표준기(30)의 열전대 출력에 연결된 제1전압계(10)를 이용하고, 피측정변환기(50)의 출력전압은 제2전압계(20)를 이용하여 이루어진다. 제1전압계 및 제2전압계로부터의 측정결과를 이용하여 교직차를 계산한다. 교직차 계산에 대한 상세한 기술은 생략한다.
제3단계(S300)는 부하저항(R L )의 저항값에 따른 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )를 측정하는 단계이다. 여기서, 부하저항(R L )은 저전압측정표준기(30)와 피측정변환기(50) 사이에 설치되어 있다. 또한, 각 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )는 부하저항(R L )이 아무것도 연결되지 않은 단락상태의 교직차(δ Rm )와 서로 다른 저항값을 가질 때의 교직차(δ 1 ,δ 2 ,)를 각각 나타낸다.
Figure 112008052527014-PAT00001
Figure 112008052527014-PAT00002
Figure 112008052527014-PAT00003
[수학식 1] 내지 [수학식 3]에서, δ0는 부하효과가 없을 경우의 교직차를, Rm과 R1과 R2는 각각 부하저항(R L )의 저항값을, ω는 교직차 측정시의 주파수에 해당하는 각 주파수를, R0는 피측정변환기(50)의 직류입력저항값을 각각 나타낸다.
제4단계(S400)는 부하저항(R L )에 따른 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )를 적용하여 임피던스를 계산하는 단계이다. 임피던스는 저전압변환기인 피측정변환기(50)의 입력회로의 특성변수인 입력저항(R in )과 전기용량(C in )를 구하게 된다.
[수학식 1] 내지 [수학식 3]에서, 각각의 식은 입력저항(R in ) 및 전기용량(C in )을 변수로 하는 3개의 연립방정식으로 표현할 수 있다. 이들 방정식을 정리하게 되면, 입력저항(R in )과 전기용량(C in )은 다음의 [수학식 4]와 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008052527014-PAT00004
Figure 112008052527014-PAT00005
제5단계(S500)는 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 계산하는 단계이다. 부하효과에 의한 교직차(δ L )는 부하효과가 나타나지 않을 때의 직류입력전압(V dc )과 부하효과가 나타나는 교류입력전압(V ac )의 상대비로 표현된다. 이는 다음의 [수학식 6]과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008052527014-PAT00006
이때의 직류입력전압(V dc )은 저전압측정표준기(30)의 열전변환기에 동일한 직류전류 및 교류전류(I in )가 흐른다고 가정하면, 입력저항(R in ), 전기용량(C in ) 및 출력저항(R m )에 공급되는 직류입력전압(V dc )은 다음의 [수학식 7]로 표현할 수 있다. [수학식 7]에서, 여기서, R0는 입력저항(R in )의 직류저항값이다.
Figure 112008052527014-PAT00007
한편, 피측정변환기(50)의 입력측에 공급되는 교류입력전압(V ac )은 [수학식 8]과 같이 구할 수 있다.
Figure 112008052527014-PAT00008
이와 같이 계산된 직류입력전압(V dc )과 교류입력전압(V ac )을 [수학식 6]에 대입하게 되면, 부하효과에 의한 교직차(δ L )는 다음의 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008052527014-PAT00009
( 실시예 )
이하, 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치를 이용하여 측정결과를 설명하면 다음과 같다. 여기서, 저전압측정표준기(30)는 마이크로포텐시오미터를, 피측정변환기(50)로는 저전압변환기(LVTS)를, 측정주파수에서의 입력저항(R inp ) 및 전기용량(C inp )를 얻기 위하여 출력저항(R m )은 40Ω인 것을, 피측 정변환기(50)의 직류입력저항(R 0 )은 10㏁을, 그리고 부하저항(R L )은 단락(R m ), 50Ω과 150Ω을 각각 적용하여 상술한 방법에 의해 입력임피던스 및 부하효과에 의한 교직차를 다음의 [표 1]과 같이 얻었다.
Figure 112008052527014-PAT00010
여기서, Test Freq.은 측정주파수를, 주(1)~주(3)은 부하저항(R L )은 단락(R m ), 50Ω과 150Ω일 때의 각 교직차를, 주(4)와 주(5)는 측정된 교직차를 이용하여 본 발명에 따른 입력저항과 전기용량을, 주(6)은 계산된 입력저항과 전기용량을 [수학식 9]에 대입하여 얻은 부하효과에 의한 교직차를, 주(7)은 정격 1V의 교류표준기인 다중접합 열전변환기를 표준으로 교직차를 평가한 피측정변환기(저전압변환기)의 200㎷에서의 교직차이고, 주(8)은 이들결과로부터 계산한 저전압측정표준기의 200㎷의 교직차이다.
또한, 도 3은 본 발명에 따라 주파수 변화에 대한 저전압 교직변환기의 전기용량 및 입력저항을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 측정주파수를 나타내고, 세로축은 각각 전기용량 및 입력저항을 각각 나타낸다. 그리고, 그래프에서 R inp 는 입력저항을 나타내고, C inp 은 전기용량을 각각 나타낸다.
표 1과 도 3에서 보는 바와 같이, 주파수 대역이 100㎑~1㎒에서의 전기용량(C inp )은 평균값이 40.25㎌으로 평균값에 대한 상대표준편차가 약 2.4%로 주파수의 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 입력저항(R inp )은 주파수 변화에 대해 변화폭이 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 입력저항(R inp )은 측정 주파수가 1㎑에서 9.25㏁이나, 측정주파수가 1㎒에서는 약 360㏀까지 감소한다. 이에 주파수의 변화에 따라 입력저항(R inp )의 변화에 의해 부하효과가 일어나고, 이러한 부하효과는 부가적인 교직차를 유발시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 입력저항에 교직차에 의한 보정값을 보정해 주어야만 정확한 교류전압을 측정할 수 있게 되는 것이다. 특히, 이러한 교직차는 200㎷ 이하의 낮은 전압일수록 더 큰 오차를 발생시키게 된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치를 개략적으로 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따르는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법을 설명하기 위한 플로우차트.
도 3은 본 발명에 따라 주파수 변화에 대한 저전압 교직변환기의 전기용량 및 입력저항을 측정한 결과를 보여주는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20 : 제1 및 제2전압계
30 : 저전압측정표준기
40 : 제어부
50 : 피측정변환기
R inp : 입력저항
R L : 부하저항
C inp : 전기용량

Claims (11)

  1. 교류전압을 직류전압과 등가적으로 변환시켜주는 매개표준기인 저전압측정표준기(30);
    상기 저전압측정표준기(30)의 출력측에 연결된 피측정변환기(50);
    상기 저전압측정표준기(30) 및 상기 피측정변환기(50)의 출력 직류전압을 각각 측정하기 위한 제1 및 제2전압계(10,20);
    상기 저전압측정표준기(30)와 상기 피측정변환기(50) 사이에 설치되는 부하저항(R L ); 및
    상기 부하저항(R L )에 따른 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )로부터 상기 피측정변환기(50)의 입력임피던스를 구하여 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 평가하고 시스템을 제어하는 제어부(40);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2전압계(10,20)는 각각 디지털 전압계인 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저전압측정표준기(30)는 열전변환기의 히터저항(R h ), 및 상기 히터저항(R h )과 직렬로 연결되는 출력저항(R m )을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 저전압측정표준기(30)는 정격전압 범위가 2~200㎷인 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저전압측정표준기(30)는 마이크로포텐시오미터인 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피측정변환기(50)는 상기 출력저항(R m )의 양단으로부터 인가되는 저전압을 입력받으며 서로 병렬로 연결된 전기용량(C inp )과 입력저항(R inp )을 포함하는 등가회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하저항(R L )의 저항값은 각각 단락, 50Ω 및 150Ω중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가장치.
  8. 저전압측정표준기(30)에 교류전압을 인가하는 제1단계(S100);
    상기 저전압측정표준기(30), 및 상기 저전압측정표준기(30)의 출력저항(R m )과 병렬연결된 피측정변환기(50)의 출력 직류전압을 제1 및 제2전압계(10,20)로 각각 측정하는 제2단계(S200);
    일정한 시간간격으로 입력전압을 직류 및 교류로 바꾸어가면서 상기 저전압측정표준기(30)와 상기 피측정변환기(50) 사이에 설치된 부하저항(R L )의 저항값을 달리하여 연결하고, 상기 제1단계(S100) 및 상기 제2단계(S200)를 반복 수행하여 상기 각 저항값에 대한 각각의 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )를 측정하는 제3단계(S300);
    상기 각 교직차(δ Rm ,δ 1 ,δ 2 )로부터 입력저항(R inp ) 및 전기용량(C inp )를 계산하는 제4단계(S400); 및
    상기 입력저항(R inp ) 및 전기용량(C inp )로부터 부하효과에 의한 교직차(δ L )를 계산하는 제5단계(S500);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기용량(C inp )은 다음의 [수학식 10],
    Figure 112008052527014-PAT00011
    에 의해 구하고, 여기서 δ 1 ,δ 2 ,δ Rm 는 각각 부하저항(R L )이 50 Ω, 150 Ω 및 단락일 때의 교직차를, R 1 과 R 2 는 부하저항(R L )이 각각 50Ω과 150Ω인 것을, ω는 측정주파수에 해당하는 각 주파수를 나타내는 것을 특징으로 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 입력저항(R inp )은 다음의 [수학식 11]에 따라 구하고,
    Figure 112008052527014-PAT00012
    여기서 δ 1 ,δ Rm 는 각각 부하저항(R L )이 50 Ω 및 단락일 때의 교직차를, R 1 , R m 및 R o 는 각각 50 Ω, 150 Ω 및 직류입력저항 값인 10 MΩ을, ω는 측정주파수에 해당하는 각 주파수를, C inp 는 전기용량인 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하효과에 의한 교직차(δ L )는 다음의 [수학식 12],
    Figure 112008052527014-PAT00013
    여기서, V dc 는 직류입력전압을, V ac 는 교류 입력전압을, R inp 및 R 0 는 각각 피측정변환기의 입력저항과 직류입력저항을, R m 은 저전압측정표준기의 출력저항을, f는 교직차 측정 주파수를, C inp 는 저전압측정표준기의 입력 전기용량을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 교류-직류 변환기의 입력임피던스 평가방법.
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