KR20220145823A - 전류 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 측정하기 위한 다상 개루프 전류 변환기를 포함하는 전류 측정 시스템으로서, 변환기는 하우징(2), 제 1 및 제 2 코어 부품(3a, 3b)을 포함하는 자기 코어(3), 및 전류 변환기 하우징을 가로지르는 1차 전도체의 부분이 위치되는 제 1 및 제 2 코어 부품 사이의 하우징(2)에 장착되는 복수의 n+1개의 자기장 검출기(4)를 포함한다. 시스템은 교정 절차에서 미리 정의된 차원 n x n+1의 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장된 비휘발성 메모리를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 결합 행렬은 상기 자기장 검출기에 의해 검출된 자기 유도 필드(B 1 , B 2 , B 3 , B 4 )에 1차 전류에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 연결하고, 그리고 계산 유닛이 결합 행렬을 사용하여 상기 n+1개의 자기장 검출기의 출력으로부터 상기 n 위상 전류의 값을 계산하도록 구성된다. 계산 유닛은 자기장 검출기의 결함, 누설 전류 또는 과전류의 검출을 허용하는 n+1 열화 모드 결합 행렬을 사용하여 열화 모드에서 n위상 전류를 추정하도록 추가로 구성된다.
Description
본 발명은 다상 개루프 전류 변환기를 포함하는 다상 전기 시스템용 전류 측정 시스템에 관한 것이다.
많은 전기 시스템은 다상 전류, 특히 3 상 전류에 의해 공급되며, 이러한 시스템은 예를 들어 전기 자동차와 같은 모바일 애플리케이션의 전기 모터를 포함한다. 이러한 애플리케이션에서는 견고하고 신뢰할 수 있는 전류 센서가 필요하지만 제조 및 설치가 경제적이기도 하여야 한다.
안전은 제어 시스템이 고장난 시스템의 설정을 종료하거나 변경하기 위해 전류 센서가 고장을 신속하고 안정적으로 감지해야 하는 중요한 요소이다. 과전류 및 누설 전류는 일반적으로 전기 시스템에 결함이 있음을 나타낸다.
예를 들어 전류 센서에 인접한 다른 전기 전도체 및 구성 요소에서 발생할 수 있는 외부 자기장의 영향은 전류 센서의 정확도와 신뢰성에 부정적인 영향을 미치지 않아야 한다.
전기 자동차와 같이 열악한 환경에서 구현된 전류 센서는 기계적 충격, 진동 및 큰 열 변화를 견뎌야 한다.
경제적인 제조 및 설치의 요구에 부응하는 동시에 안전성, 내구성, 신뢰성 및 정확한 전류 측정에 대한 높은 요구 사항을 충족시키는 것이 기존 센서의 과제이다.
각각의 위상에서 전류의 출력을 생성하기 위해 공통 평면에 배열된 3개의 1차 전도체의 대향 측면에 조립된 자기 코어 부품을 포함하는 3상 개루프 전류 변환기를 제공하는 것이 알려져 있다. 두 위상의 전류를 측정하면 세 번째 위상의 전류가 두 개의 다른 위상에서 추론될 수 있다. 그러나 이러한 종류의 기존 개방 루프 전류 변환기는 설치 및 구동에 상대적으로 비용이 많이 들고 오류를 신속하게 해결하기 위해 필요한 응답 시간이 부족할 수도 있다. 또한 변환기 오작동 감지는 신뢰할 수 없다.
이상에 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은 생산 및 설치가 경제적이지만 정확한 측정을 보장하면서 견고하고 안전하며 신뢰할 수 있는 개방 루프 전류 변환기를 갖는 다상(특히 3상) 전류 측정 시스템을 제공하는 것이다.결함, 특히 누설 전류 또는 과전류를 매우 빠르게 감지할 수 있는 다상 전류 측정 시스템을 제공하는 것이 유리하다.
콤팩트한 다상 전류 측정 시스템의 다상 개루프 전류 변환기를 제공하는 것이 유리하다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 다상 전류 측정 시스템을 제공함으로써 달성되었다.
본 발명의 목적은 청구항 14에 따른 다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 복수의 전류를 측정하는 방법을 제공함으로써 달성되었다.
다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 측정하기 위한 다상 개루프 전류 변환기를 포함하는 전류 측정 시스템으로서, 변환기는 하우징(2), 제 1 및 제 2 코어 부품(3a, 3b)을 포함하는 자기 코어(3), 및 전류 변환기 하우징을 가로지르는 1차 전도체의 부분이 위치되는 제 1 및 제 2 코어 부품 사이의 하우징(2)에 장착되는 복수의 n+1개의 자기장 검출기(4)를 포함하고, 시스템은 교정 절차에서 미리 정의된 차원 n x n+1의 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장된 비휘발성 메모리를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 결합 행렬은 상기 자기장 검출기에 의해 검출된 자기 유도 필드(B 1 , B 2 , B 3 , B 4 )에 1차 전류에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 연결하고, 그리고 계산 유닛이 결합 행렬을 사용하여 상기 n+1개의 자기장 검출기의 출력으로부터 상기 n 위상 전류의 값을 계산하도록 구성된 전류 측정 시스템이 개시된다. 차원 n x n의 각각은 상기 n+1개의 자기장 검출기의 서브세트 n의 출력에 기초하고, 계산 유닛은 자기장 검출기의 결함, 누설 전류 또는 과전류의 검출을 허용하는 n+1 열화 모드 결합 행렬을 사용하여 열화 모드에서 n위상 전류를 추정하도록 추가로 구성된다.
다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 복수의 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 측정하는 방법으로서,
- 하우징(2), 제1 및 제2 자기 코어 부품(3a, 3b)을 포함하는 자기 코어(3), 및 전류 변환기 하우징을 가로지르는 1차 전도체의 부분이 위치되는 제1 및 제2 코어 부품 사이의 하우징(2)에 장착된 복수의 n+1개의 자기장 검출기(4)를 포함하는 변환기를 포함하고, 변환기는 다상 전기 시스템의 회로에 연결된, 전류 측정 시스템을 제공하는 단계;
- 상기 1차 전도체에 흐르는 상기 위상 전류를 측정하기 위한 변환기의 작동 이전에, 1차 전류에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 상기 자기장 검출기에 의해 검출된 자기 유도 필드(B 1 , B 2 , B 3 , B 4 )에 연결하는 차원 n x n+1의 적어도 하나의 결합 행렬(K)을 계산하기 위한 교정 방법을 실행하는 단계;
- 변환기 또는 다상 전기 시스템의 회로의 비휘발성 메모리에 상기 적어도 하나의 결합 행렬을 저장하는 단계;
- 전류 측정 시스템의 계산 유닛에서, 상기 1차 전도체에 흐르는 상기 위상 전류를 측정하기 위한 변환기의 작동 동안, 상기 적어도 하나의 결합 행렬을 사용하여 상기 n+1개의 자기장 검출기의 측정 출력으로부터 상기 n 위상 전류의 값을 계산하는 단계;
- 상기 계산 유닛에서, 자기장 검출기에서 결함을 검출하기 위해 차원 n x n의 열화 모드 결합 행렬을 사용하여 복수의 전류(I 1 , I 2 , I 3 )의 중복 측정을 계산하되, n 위상 시스템에 대한 n+1개의 자기장 검출기 중 n은 n+1 열화 모드 결합 행렬(K 123 K 124 K 134 K 234 )을 계산하는 데 사용되는, 단계를 포함하는, 방법이 개시된다.
유리한 실시예에서, 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장되는 상기 비휘발성 메모리는 상기 자기장 검출기 중 적어도 하나를 형성하는 적어도 하나의 ASIC(application specific integrated circuit)에 제공되거나, 또는 변환기의 회로(5)의 메모리에 제공된다.
유리한 실시예에서, 상기 적어도 하나의 결합 행렬에 대한 상기 정보를 상기 외부 회로로 전송하기 위해 그리고 상기 외부 회로의 위상 전류 값의 계산을 위해, 상기 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장된 상기 비휘발성 메모리는 외부 회로에 의해 전류 변환기의 커넥터(8)를 통해 판독 가능하다.
유리한 실시예에서, 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장되는 상기 비휘발성 메모리는 변환기 외부의 상기 전기 시스템에 배열된다.
유리한 실시예에서, 예를 들어 무어-펜로즈 역(Moore-Penrose inverse) 계산과 같은 의사 역(pseudo inverse) 방법 및 차동 (differential) 방법을 포함하는 전류를 추정하기 위해 적어도 2개의 상이한 계산 방법을 실행하도록 구성된 계산 유닛을 더 포함한다.
유리한 실시예에서, 제1 및 제2 자기 코어 부품은 적층된 연자성 재료 시트의 스택으로 형성된 실질적으로 직선 직사각형 바의 형태이다.
유리한 실시예에서, 각각의 자기 코어 부품은 함께 조립되는 개별 부품으로 형성된 각각의 하우징 부품(2a, 2b)에 수용되며, 하우징 부품(2a) 중 하나는 하우징을 통해 연장되는 복수의 자기장 검출기 및 1차 전도체 부분을 수용한다.
유리한 실시예에서, 1차 전도체가 연장되는 통로(11)는 하우징 부품(2a) 중 하나의 리세스 또는 관통 캐비티에 의해 형성되고, 다른 하우징 부품(2b)은 본질적으로 평면 결합면을 갖는다.
유리한 실시예에서, 변환기는 자기장 검출기의 연결 단자와 겹치는 하우징의 측면(13)을 따라, 상기 자기 코어 부품들 사이의 에어갭이 형성되는 평면(P)에 실질적으로 직교하는 평면에 배열된 회로 기판(7)을 포함한다.
유리한 실시예에서, 자기장 검출기는 제조 중에 회로 기판에 사전 조립되고, 하우징 베이스 부품에 대해 회로 기판을 조립하는 동안, 자기장 검출기는 자기장 검출기를 수용하기 위해 하우징 부품의 캐비티(13)에 삽입되고, 상기 캐비티는 1차 전도체의 외측에 위치한 캐비티(13a, 13d) 및 인접한 1차 전도체 사이의 캐비티(13b, 13c)를 포함한다.
유리한 실시예에서, 변환기는 3상 전기 시스템용이며 4개의 자기장 검출기(4a, 4b, 4c, 4d)를 포함하고, 2개(4a, 4d)는 3개의 1차 전도체(6a, 6b, 6c)의 외측에 배치되고 다른 2개(4b, 4c)는 각각 인접한 1차 전도체(6a, 6b; 6b, 6c) 사이에 배치된다.
유리한 실시예에서, 자기장 검출기는 ASIC의 형태이다.
유리한 실시예에서, 전기 결함 또는 과전류의 경우 전류에 의해 제어되는 전기 시스템에 대한 셧다운 제어 신호를 생성하기 위해 각각의 자기장 검출기에 대해 결정된 특정 전압 임계값에서 제어 신호를 생성하도록 구성된 각각의 자기장 검출기에 연결된 비교기를 포함한다.
유리한 실시예에서, 전류 측정 시스템의 회로의 계산 유닛은 각 위상 전류에 대해 차동 측정을 실행하며, 차동 측정을 위한 결합 행렬 K'는 교정 방법으로 결정된다.
유리한 실시예에서, 열화 모드 행렬은 n x n 계수로 형성된다.
본 발명의 추가 목적 및 유리한 특징은 청구범위, 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 명백할 것이다:
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 시스템의 전류 변환기의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 전류 변환기를 통한 단면도이다.
도 1c는 1차 전도체 부분이 없는 도 1a의 전류 변환기의 사시도이다.
도 1d는 베이스 및 커버 부품이 분해된 도 1a의 변환기의 도면이다.
도 2는 하우징 부품이 제거된 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 변형의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 변환기의 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 변환기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 자기 코어 부품, 자기장 검출기 및 1차 전도체를 도시하는 단순화된 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 교정 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 안전 분석 절차의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 측정 절차를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 신호 처리 회로의 일부의 개략도로서, 특히 결함을 검출하기 위한 비교기 기능을 도시한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 시스템의 전류 변환기의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 전류 변환기를 통한 단면도이다.
도 1c는 1차 전도체 부분이 없는 도 1a의 전류 변환기의 사시도이다.
도 1d는 베이스 및 커버 부품이 분해된 도 1a의 변환기의 도면이다.
도 2는 하우징 부품이 제거된 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 변형의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 변환기의 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 변환기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 자기 코어 부품, 자기장 검출기 및 1차 전도체를 도시하는 단순화된 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 교정 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 안전 분석 절차의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기에 대한 측정 절차를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기의 신호 처리 회로의 일부의 개략도로서, 특히 결함을 검출하기 위한 비교기 기능을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 시스템은 전기 시스템(미도시)의 회로(미도시)에 연결하기 위한 전류 변환기(1)를 포함한다. 전기 시스템은 예를 들어 전기 모터 또는 전기 모터 또는 다른 유형의 전기 기계의 컨트롤러일 수 있다. 전류 측정 시스템은 계산 유닛을 포함하는 측정 신호를 처리하기 위한 회로 요소를 포함한다. 계산 유닛은 변환기(1) 내에 포함되거나 변환기 외부에서 측정 신호를 처리하기 위한 전기 시스템의 일부일 수 있다. 후자의 실시예에서, 전류 변환기(1)는 각각의 자기장 검출기(4)로부터의 측정 신호를 출력할 수 있으며, 이 신호는 변환기 외부의 회로에서 처리되어 1차 전도체에 흐르는 전류의 전류 측정 값을 계산할 수 있다.
계산 유닛은 계산을 수행하고 측정 신호를 처리하는 데 적합한 임의의 형태의 계산 장치(집적 회로, FPGA, 마이크로컨트롤러 등)를 포함하거나 구성할 수 있다.
도면을 참조하면, 특히 도 1a 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다상, 이 경우 3상, 개루프 전류 변환기(1)는 하우징(2), 제1 및 제2 코어 부품(3a, 3b) 및 하우징(2)에 장착된 복수의 자기장 검출기(4)를 포함한다.
전류 변환기는 선택적으로 자기장 검출기(4)에 연결된 신호 처리 회로(5)를 더 포함할 수 있고, 선택적으로 전류 변환기에 통합되거나 사전 조립된 복수의 1차 전도체 부분(6a, 6b, 6c)을 포함할 수 있다.
회로(5)는 실시예에서 자기장 검출기를 외부 회로에 연결하기 위한 커넥터에 상호 연결하기 위한 회로 트레이스를 포함할 수 있지만, 신호 처리를 위한 전자 부품이 없고, 신호 처리는 변환기가 연결된 전기 시스템의 회로에서 수행된다.
일 실시예에서, 전류 변환기는 다상 전기 시스템(미도시)의 1차 전도체(6) 주위에 조립되도록 구성된 1차 전도체 부분 없이 제공될 수 있고, 전류 변환기 하우징은 외부 1차 전도체(6)를 수용하기 위한 통로(11)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 전류 변환기는 3상 전기 시스템, 예를 들어 3상 전기 모터 제어용이다. 1차 전도체는 측정할 전류를 전달한다. 그러나 본 발명의 범위 내에서 3상 실시예와 관련하여 설명된 원리를 사용하는 2상, 4상, 5상, 6상 또는 그 이상의 위상 전류 변환기를 갖는 것도 가능하다.
자기 코어 부품(3a, 3b)은 투자율이 높은 재료, 특히 FeSi 합금 또는 FeNi와 같은 연자성 재료로 제조되며, 이러한 자성 재료는 그 자체로 잘 알려져 있다.
자기 코어 부품(3a, 3b)은 유리하게는 예를 들어 바를 형성하기 위해 적층되는 연자성 재료 시트의 스탬핑 작업에 의해 제조하기에 특히 경제적인 직선 또는 실질적으로 직선 직사각형 바의 형태일 수 있다.
자기 코어 부품(3a, 3b) 사이에는 1차 전도체(6)와 자기장 검출기(4)가 위치하는 에어갭이 있다. 에어갭은 실질적으로 평면 P를 따라 연장되며, 이에 의해 유리한 실시예에서 1차 전도체 및 자기장 검출기는 평면 P를 따라 실질적으로 정렬될 수 있다.
유리한 실시예에서, 자기 코어 부품은 제조 비용을 추가로 줄이고 전류 변환기의 생산에 사용되는 부품의 수를 단순화하기 위해 동일할 수 있다.
자기장 검출기(4)는 유리하게는 자기장 검출기를 포함하는 집적 회로가 오버몰딩되고 전력 및 신호 전송을 위한 연결 핀에 연결된 ASIC(application specific integrated circuit)의 형태일 수 있으며, 그러한 ASIC은 그 자체로 전류 변환기 분야에서 잘 알려져 있다. ASIC은 일반적으로 그 자체로도 잘 알려진 홀 효과 검출기를 기반으로 할 수 있다. 실시예에서, TMR(tunnelling magnetoresistance) 또는 GMR(Giant magnetoresistance)과 같은 다른 자기장 검출기가 사용될 수 있다.
각각의 자기 코어 부품(3a, 3b)은 각각의 하우징 부품(2a, 2b)에 수용되고, 유리한 실시예에서 함께 조립되고 래칭 요소(12) 또는 다른 고정 부재(스크류 또는 클램프와 같은)에 의해 고정되는 별도의 부품으로 형성될 수 있거나, 또는 하우징 부품은 조립 후에 분리할 수 없도록 용접 또는 접합에 의해 함께 고정될 수 있다.
변형예에서, 예시된 바와 같이, 하우징 부품은 예를 들어 외부 시스템의 1차 전도체 주위에 장착하기 위해 제자리에서 함께 조립될 수 있다.
1차 전도체 부분(6a, 6b, 6c)이 전류 변환기에 직접 통합되는 변형에서, 하우징 부품(2a, 2b)은 측정할 전류를 전달하는 외부 1차 전도체에 연결하기 위한 외부 설비에 전류 변환기를 조립하기 전에 1차 전도체 부분 주위에 영구적으로 성형, 용접 또는 배열될 수 있다.
자기장 검출기(4)의 양쪽에 위치하는 자기 코어 부품(3a, 3b)은 평면(P)에 직교하는 방향(D)에서 볼 때 자기장 검출기의 표면적을 완전히 덮고 넘어 연장하기에 충분한 폭과 길이를 가지며 1차 전도체(6) 및 자기장 검출기가 정렬되어, 예를 들어 전류 변환기에 근접한 전기 구성 요소로 인한 외부 자기장이 2개의 코어 부품(3a, 3b) 사이의 에어갭에 실질적으로 균일하게 분포된다. 자기 코어 부품(3a, 3b)은 변환기에 의해 측정될 지정된 최대 전류에서 높은 신뢰성으로 포화되지 않을 정도로 충분히 구성된 단면을 갖는다.
이하에서 논의되는 바와 같이, 자기장 검출기를 사용한 차동 측정은 외부 필드로부터 유래하는 자기장 값을 제거하는 것을 허용한다.
1차 전도체(6, 6a, 6b, 6c)가 연장되는 통로(11)는 하우징 부품(2a)(베이스 부품(2a)) 중 하나의 리세스 또는 관통 캐비티에 의해 형성될 수 있고 다른 하우징 부품(2b)은 베이스 부품(2a)의 결합 면에 결합되는 본질적으로 평면인 결합 면을 갖는다. 1차 전도체(6a, 6b, 6c)는 예를 들어 예시된 바와 같이 직사각형 막대의 형태로 제공될 수 있지만, 1차 전도체 막대의 원통형, 타원형, 사다리꼴 또는 다른 프로파일 형상이 제공될 수 있다.
조립된 자기 코어 부품(3b)을 갖는 제2 하우징 부품(2b)의 결합면에는 자기 코어 부품(3b)을 1차 전도체(6a, 6b, 6c)로부터 절연적으로 분리하기 위해 절연층이 코팅되거나 제공될 수 있다.
회로(5)는 자기장 검출기(4)의 연결 단자와 중첩하는 하우징의 측면(13)을 따라 에어갭이 정렬되는 평면(P)에 실질적으로 직교하는 평면에 유리하게 배열될 수 있는 회로 기판(7)을 포함한다.
자기장 검출기(4)는 제조 동안 회로 기판(7)에 사전 조립될 수 있으며, 하우징 베이스 부품(2a)에 대한 회로 기판의 조립 동안, 자기장 검출기(4)는 자기장 검출기를 수용하기 위해 하우징 부품의 캐비티(13)에 삽입되고, 상기 캐비티는 1차 전도체의 외측에 위치한 캐비티(13a, 13d)와 인접한 1차 전도체 사이의 캐비티(13b, 13c)를 포함한다. 따라서 3상 전기 시스템에 대해 4개의 자기장 검출기(4a, 4b, 4c, 4d)가 있고, 특정한 유리한 실시예에서 이들은 ASIC(여기서 ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4로 표시됨)의 형태이다.
하우징(2)은 예를 들어 전류 변환기를 외부 지지부에 고정하기 위한 마운팅 러그(14)와 같은 다른 요소를 포함할 수 있다.
회로(5)는 전류 변환기의 신호 처리 회로 및 자기장 검출기를 구동하기 위한 전원을 포함하고 전류 변환기로부터 전류 측정 출력을 수신하기 위한 외부 회로에 연결하기 위한 커넥터(8)를 더 포함한다.
예시된 실시예에서, 커넥터(8)는 하우징 베이스 부품(2a)에 직접 통합되고 외부 회로 기판에 연결하기 위한 또는 외부 커넥터에 대한 플러깅 연결을 위한 핀 단자를 포함하는 하우징 부품을 포함한다. 연결 시스템 분야에서 공지된 바와 같이 플러깅 또는 클램핑 또는 납땜 연결을 위해 다른 유형의 접점이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 회로(5)의 회로 기판(7)은 커넥터(8)를 통한 출력 이전에 측정 신호의 처리 또는 사전 처리를 허용하는 회로 트레이스를 통해 회로 기판 상의 전자 부품에 상호 연결된 자기장 검출기(16)용 접촉 부분을 포함한다. 신호 처리를 위한 마이크로 컨트롤러는 예를 들어 회로 기판(7)에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 회로(5)의 회로 기판(7)은 회로 트레이스를 통해 커넥터(8)에 상호 연결된 자기장 검출기(16)를 위한 접촉 부분을 포함하고, 자기장 검출기에 의해 출력된 측정 신호의 처리는 변환기가 연결된 외부 회로에서 수행된다.
변환기 내부 또는 외부에서 변환기가 연결되는 전기 시스템의 회로에서 구현되는 계산 유닛은, 실시예에 따라, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 위상 각각에 대한 정확한 1차 전류 값을 얻기 위해 복수의 자기장 검출기에 의해 측정된 전류를 처리하는 여러 방법을 실행하도록 유리하게 구성될 수 있다.
유리한 실시예에서, 방법에는 의사 역(pseudo inverse) 방법 및 차동(differential) 방법이 포함된다. 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 두 가지 방법 및 기타 방법에 대해, 1차 전도체에 흐르는 위상 전류 (I1, I2, I3)를 자기장 검출기 (4a, 4b, 4c, 4d)(ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4)에 의해 보이는 자기 유도 필드 (B1, B2, B3, B4)에 연결하는 결합 행렬 K를 결정하기 위해 도 5에 설명된 교정 절차가 실행된다. 결합 행렬은 n x n+1 계수의 직사각형 행렬일 수 있으며, 여기서 n은 측정할 위상의 수이고 n+1은 자기장 검출기의 수이다.
의사 역(pseudo inverse) 방법은 유리하게는 직사각형 행렬을 포함하는 비가역 행렬의 역(inversion)에 유용하다고 알려진 무어-펜로즈 인버스(Moore-Penrose inverse)를 사용하여 계산을 수행할 수 있다. 이 방법은 자기장 검출기(ASIC1,ASIC2,ASIC3,ASIC4)에 의해 보이는 자기 유도 필드 
에 대한 결합 행렬 K의 의사 역행렬 
를 사용한다. 이 방법은 ASIC에 의해 측정된 실제 자속 밀도로 표현되며, 그것은 또한 ASIC의 출력 신호(신호에 오프셋을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 전압(V1, V2, V3, V4) 신호 또는 전류 신호일 수 있음)의 출력 신호로 표현될 수 있다.
따라서 
는 다음과 같이 계산된다:
이 방법을 사용하면 I와 B를 연결하는 고유한 행렬을 직접 찾을 수 있는데, 이로써 결합 행렬은 바람직하게는 변환기의 생산 동안 또는 그 후에 수행되는 교정 프로세스 동안, 전기 시스템의 회로에 연결될 때 전류 측정을 위한 변환기의 작동 전에 결정될 수 있다.
본 발명의 유리한 측면에 따르면, 결합 행렬은 회로(5)의 비휘발성 메모리, 또는 하나 이상의 ASIC의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. 따라서 변환기는 결합 행렬에 대한 정보를 포함한다. 결합 행렬에 대한 정보는, 제1 실시예에서, 전류 측정값을 출력하도록 구성된 계산 유닛을 갖는 신호 처리 회로를 포함하는 실시예의 경우 변환기 내의 전류 측정을 계산하는 데 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 변환기에 저장된 결합 행렬에 대한 정보는 전기 시스템에서 전류 측정 신호의 처리를 위해 변환기가 연결된 전기 시스템(미도시)의 회로로 전송될 수 있다.
다른 실시예에서, 결합 행렬에 대한 정보는 변환기 외부의 전기 시스템의 회로에 저장될 수 있으며, 결합 행렬은 변환기에 고유하고 변환기에 대한 교정 절차를 수행한 후 회로의 메모리에 로드된다.
변환기가 연결된 전기 시스템에서 전류 측정을 위해 변환기를 사용하기 전에 각 변환기 또는 변환기의 각 생산 배치에 대한 교정 프로세스 중에 결정되는 결합 행렬의 값은, 유리하게는 각 변환기에 대해 또는 변환기의 생산 배치에 대해 조정된 행렬 값을 제공한다. 따라서 행렬 값은 각 변환기의 제조 및 재료 허용 오차 및 차이를 고려하므로 전기 시스템의 전류 측정에 사용할 때 각 변환기에 대한 정확한 측정 값을 제공한다
대부분의 경우 외부 자기장은 자기 코어 부품(3a, 3b) 사이의 중앙 에어 갭을 따라 실질적으로 동일한 플럭스를 생성한다. 이러한 경우, 예를 들어 아래에 설명된 방법을 사용하여 현재 측정에서 이 필드의 영향을 제거할 수 있다. 원리는 각 전류에 대해 차동 측정을 하는 것이며, 차동 측정을 위한 결합 행렬 
는 위에서 설명한 것과 동일한 교정 방법으로 결정할 수 있다
(단, 아래의 공식에서는 측정된 자기유도 B1, B2, B3, B4의 이미지인 ASIC의 출력전압 신호 V1, V2, V3, V4를 대신 사용)
이 방법의 장점은 다음과 같다.
* 정사각형 
행렬을 가짐(계산하기 더 간단함)
* 전류별로 차등 측정(측정 결과에 대한 외부 자기장의 영향 제거)
* 차동 결합 행렬 
를 분석한 후, 위상 전도체에 가장 가까운 ASIC의 출력을 나타내는 계수는 상기 위상 전도체에서 더 멀리 떨어진 다른 ASIC 계수보다 훨씬 더 높고, 예를 들어 약 1000배 더 높다. 이는 위상 전도체를 둘러싸고 있는 가장 가까운 2개의 ASIC을 사용하면 차동 측정을 수행하기에 충분하며 다른 ASIC을 사용하여 좋은 측정을 할 필요가 없다는 것을 의미한다. 즉, 먼쪽의 ASIC의 결합 계수는 근접한 ASIC의 결합 계수와 관련하여 무시될 수 있다.
따라서 다음과 같이 3개의 계수만으로 문제를 단순화할 수 있다:
측정의 중복성(redundancy)을 제공하고 자기장 검출기(4)의 결함을 감지하기 위해, n상 시스템에 대한 n+1 개의 자기장 검출기에서 수 n, 예를 들어 본 예에서 4개의 자기장 검출기 중 3개(3상 시스템의 경우)는 n+1개의 새로운 열화 모드 매트릭스를 정의하는 데 사용될 수 있는데(즉, 이 예에서 4개) 이는 그런 다음 여기에서 열화 모드로 명명된 다른 모드에서 위상 전류를 추정하는 데 사용할 수 있다.
n+1개의 열화 모드 결합 행렬 K abc 는 n x n 계수의 정사각형 행렬일 수 있으며, 여기서 n은 측정할 위상의 수이고 n+1은 자기장 검출기의 수이다.
각각의 열화 모드 결합 행렬 K abc 는 정방 행렬이기 때문에, 직접 역전(inverse)이 가능하다. 전류 행렬 I abc 는 전류의 정확한 추정을 제공하지 않지만 자기장 검출기의 오류를 감지할 수 있다. 열화 모드 결합 행렬 K abc 는 n개의 라인으로 구성된다 (Moore Penrose K 행렬).
자기장 검출기에 결함이 있는 경우 오류는 열화 모드 결합 행렬 중 어느 것이 사용되는지에 따라 특정 위상 전류 I 1 , I 2 또는 I 3 값의 계산된 값에 영향을 미친다. 따라서 이러한 위상 전류 I 1 , I 2 , I 3 을 비교하여 성능 열화 모드 결합 행렬로 계산하여 오류의 원인을 결정할 수 있다. 또한 이 방법을 사용하면 누설 전류를 감지할 수 있다. 도 6에 설명된 이 안전성 분석 방법은 다음과 같다.
1. 위상 전류 I1 I2 I3은 열화 모드 결합 행렬 K 123 K 124 K 134 K 234 K Pseudo 및 K Diff 로 추정된다
2. 각 행렬에 대한 3 상 전류의 합은 다음과 같다
3. 이 모든 합계( S1 )가 0인 경우,
그러면 거기에는 문제가 없어야 한다.
4. 이 모든 합( S2 )이 같은 값을 갖는 경우,
그러면 해당 값의 크기를 갖는 측정 중인 시스템에 누설 전류가 있는 것이다.
5. 이 합계( S3 ) 중 1~2개가 0인 경우,
그러면 자기장 검출기에 결함이 있는 것이고 열화 모드를 사용하여 어느 자기장 검출기에 결함이 있는지 결정할 수 있다.
5.1 K 123 의 전류 합이 0인 경우( S4 ),
그러면 자기장 검출기 (ASIC4)에 결함이 있는 것이고 이러한 행렬이 결함이 있는 ASIC을 사용하여 전류를 계산하지 않기 때문에 이러한 열화 모드 행렬만 사용하면 된다.
5.2 K 234 의 전류 합이 0인 경우( S5 ),
그러면 자기장 검출기 (ASIC1)에 결함이 있는 것이고 이 행렬만 사용하면 된다.
5.3 K 124 와 K 134 의 전류 합이 0인 경우( S6 ),
그러면 자기장 검출기 (ASIC2 또는 ASIC3) 중 하나에 결함이 있는 경우
5.3.1낮은 전류(<300A)의 경우 I 2 는 다음과 같이 추정할 수 있다: (I 2 ) Deg =K Deg (B 1 -B 4 ) 여기서 K Deg 는 교정 중에 결정된 상수이다.
5.3.2 (I 2 ) Deg 에 대한 (I 2 ) 124 의 절대 오차가 (I 2 ) 134 보다 낮으면 자기장 검출기 (ASIC3)에 결함이 있는 것이고 결합 행렬 K 124 를 사용해야 한다. 그렇지 않으면 자기장 검출기 (ASIC2)에 결함이 있는 것이고 결합 행렬 K 134 를 사용해야 한다(S7).
안전성을 높이기 위해, 전기적 결함을 신속하게 감지해야 한다. 그러나 전류를 추정하는 데 너무 많은 시간이 걸린다. 더 빠른 감지에 도달하려면 도 8에 도시된 바와 같은 비교기는 특정 전압 임계값에서 스위치 오프 신호와 같은 제어 신호를 생성하기 위해 신호 처리 회로에서 구현될 수 있다. 전류 변환기에 높은 전류가 흐를 때, 각 전류는 해당 1차 전도체에 가장 가까운 자기장 검출기를 사용하여 대략적으로 추정할 수 있다. 따라서 전압 임계값은 전기 오류 또는 과전류의 경우 외부 제어 시스템에 대한 셧다운 제어 신호를 생성하기 위해 각 자기장 검출기에 대해 결정될 수 있다.
예를 들어, I 1 이 높을 때 
(상대 오차 5~10%); 외부 시스템을 차단하는 최대 전류가 
이면 
이다.
본 발명의 실시예에 따른 전류 변환기는 유리하게 컴팩트하고 단순한 다상 전류 센서(예를 들어, 3 상 전류 센서)의 제공을 가능하게 한다.
변환기의 신호 처리 회로 또는 전류 변환기에 연결된 외부 회로는 유리하게 전류를 정확하게 추정하기 위해 유리하게는 의사 역 방법 및 차동 방법을 포함할 수 있는 적어도 2개의 계산 방법으로 구성될 수 있다.
변환기의 신호 처리 회로 또는 전류 변환기에 연결된 외부 회로의 신호 처리 회로는 유리하게는 자기장 검출기, 누설 전류 또는 과전류의 결함을 검출할 수 있는 전류를 추정하기 위한 계산의 열화 모드를 더 포함할 수 있다.
전류 측정 시스템
전류 변환기 1
하우징 2
하우징 부품
베이스 2a
커버 2b
래칭 요소 12
1차 전도체를 위한 통로 11
장착 러그 14
자기 코어 3
제1 및 제2 코어 부품 3a, 3b
자기장 검출기 4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f
ASIC
ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4
홀 효과 검출기
회로 5
회로 기판 7
검출기용 접촉부 16
회로 트레이스
커넥터용 접촉부 18
커넥터 8
1차 전도체 6
위상 전도체 6a, 6b, 6c
계산 유닛
전류 변환기 1
하우징 2
하우징 부품
베이스 2a
커버 2b
래칭 요소 12
1차 전도체를 위한 통로 11
장착 러그 14
자기 코어 3
제1 및 제2 코어 부품 3a, 3b
자기장 검출기 4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f
ASIC
ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4
홀 효과 검출기
회로 5
회로 기판 7
검출기용 접촉부 16
회로 트레이스
커넥터용 접촉부 18
커넥터 8
1차 전도체 6
위상 전도체 6a, 6b, 6c
계산 유닛
Claims (15)
- 다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 측정하기 위한 다상 개루프 전류 변환기를 포함하는 전류 측정 시스템으로서, 변환기는 하우징(2), 제 1 및 제 2 코어 부품(3a, 3b)을 포함하는 자기 코어(3), 및 전류 변환기 하우징을 가로지르는 1차 전도체의 부분이 위치되는 제 1 및 제 2 코어 부품 사이의 하우징(2)에 장착되는 복수의 n+1개의 자기장 검출기(4)를 포함하고, 시스템은 교정 절차에서 미리 정의된 차원 n x n+1의 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장된 비휘발성 메모리를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 결합 행렬은 상기 자기장 검출기에 의해 검출된 자기 유도 필드(B 1 , B 2 , B 3 , B 4 )에 1차 전류에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 연결하고, 그리고 계산 유닛이 결합 행렬을 사용하여 상기 n+1개의 자기장 검출기의 출력으로부터 상기 n 위상 전류의 값을 계산하도록 구성되고, 차원 n x n의 각각은 상기 n+1개의 자기장 검출기의 서브세트 n의 출력에 기초하고, 계산 유닛은 자기장 검출기의 결함, 누설 전류 또는 과전류의 검출을 허용하는 n+1 열화 모드 결합 행렬을 사용하여 열화 모드에서 n위상 전류를 추정하도록 추가로 구성됨을 특징으로 하는 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항에 있어서, 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장되는 상기 비휘발성 메모리는 상기 자기장 검출기 중 적어도 하나를 형성하는 적어도 하나의 ASIC(application specific integrated circuit)에 제공되거나, 또는 변환기의 회로(5)의 메모리에 제공되는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항에 있어서,
상기 적어도 하나의 결합 행렬에 대한 상기 정보를 상기 외부 회로로 전송하기 위해 그리고 상기 외부 회로의 위상 전류 값의 계산을 위해, 상기 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장된 상기 비휘발성 메모리는 외부 회로에 의해 전류 변환기의 커넥터(8)를 통해 판독 가능한, 전류 측정 시스템. - 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 결합 행렬(K)에 대한 정보가 저장되는 상기 비휘발성 메모리는 변환기 외부의 상기 전기 시스템에 배열되는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 예를 들어 무어-펜로즈 역(Moore-Penrose inverse) 계산과 같은 의사 역(pseudo inverse) 방법 및 차동 (differential) 방법을 포함하는 전류를 추정하기 위해 적어도 2개의 상이한 계산 방법을 실행하도록 구성된 계산 유닛을 더 포함하는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 제1 및 제2 자기 코어 부품은 적층된 연자성 재료 시트의 스택으로 형성된 실질적으로 직선 직사각형 바의 형태인, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 각각의 자기 코어 부품은 함께 조립되는 개별 부품으로 형성된 각각의 하우징 부품(2a, 2b)에 수용되며, 하우징 부품(2a) 중 하나는 하우징을 통해 연장되는 복수의 자기장 검출기 및 1차 전도체 부분을 수용하는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 1차 전도체가 연장되는 통로(11)는 하우징 부품(2a) 중 하나의 리세스 또는 관통 캐비티에 의해 형성되고, 다른 하우징 부품(2b)은 본질적으로 평면 결합면을 갖는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 변환기는 자기장 검출기의 연결 단자와 겹치는 하우징의 측면(13)을 따라, 상기 자기 코어 부품들 사이의 에어갭이 형성되는 평면(P)에 실질적으로 직교하는 평면에 배열된 회로 기판(7)을 포함하는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 자기장 검출기는 제조 중에 회로 기판에 사전 조립되고, 하우징 베이스 부품에 대해 회로 기판을 조립하는 동안, 자기장 검출기는 자기장 검출기를 수용하기 위해 하우징 부품의 캐비티(13)에 삽입되고, 상기 캐비티는 1차 전도체의 외측에 위치한 캐비티(13a, 13d) 및 인접한 1차 전도체 사이의 캐비티(13b, 13c)를 포함하는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 변환기는 3상 전기 시스템용이며 4개의 자기장 검출기(4a, 4b, 4c, 4d)를 포함하고, 2개(4a, 4d)는 3개의 1차 전도체(6a, 6b, 6c)의 외측에 배치되고 다른 2개(4b, 4c)는 각각 인접한 1차 전도체(6a, 6b; 6b, 6c) 사이에 배치되는, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 자기장 검출기는 ASIC의 형태인, 전류 측정 시스템.
- 선행 청구항중 어느 하나에 있어서, 전기 결함 또는 과전류의 경우 전류에 의해 제어되는 전기 시스템에 대한 셧다운 제어 신호를 생성하기 위해 각각의 자기장 검출기에 대해 결정된 특정 전압 임계값에서 제어 신호를 생성하도록 구성된 각각의 자기장 검출기에 연결된 비교기를 포함하는, 전류 측정 시스템.
- 다상 전기 시스템의 복수의 n개의 1차 전도체에 흐르는 복수의 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 측정하는 방법으로서,
- 하우징(2), 제1 및 제2 자기 코어 부품(3a, 3b)을 포함하는 자기 코어(3), 및 전류 변환기 하우징을 가로지르는 1차 전도체의 부분이 위치되는 제1 및 제2 코어 부품 사이의 하우징(2)에 장착된 복수의 n+1개의 자기장 검출기(4)를 포함하는 변환기를 포함하고, 변환기는 다상 전기 시스템의 회로에 연결된, 전류 측정 시스템을 제공하는 단계;
- 상기 1차 전도체에 흐르는 상기 위상 전류를 측정하기 위한 변환기의 작동 이전에, 1차 전류에 흐르는 위상 전류(I 1 , I 2 , I 3 )를 상기 자기장 검출기에 의해 검출된 자기 유도 필드(B 1 , B 2 , B 3 , B 4 )에 연결하는 차원 n x n+1의 적어도 하나의 결합 행렬(K)을 계산하기 위한 교정 방법을 실행하는 단계;
- 변환기 또는 다상 전기 시스템의 회로의 비휘발성 메모리에 상기 적어도 하나의 결합 행렬을 저장하는 단계;
- 전류 측정 시스템의 계산 유닛에서, 상기 1차 전도체에 흐르는 상기 위상 전류를 측정하기 위한 변환기의 작동 동안, 상기 적어도 하나의 결합 행렬을 사용하여 상기 n+1개의 자기장 검출기의 측정 출력으로부터 상기 n 위상 전류의 값을 계산하는 단계;
- 상기 계산 유닛에서, 자기장 검출기에서 결함을 검출하기 위해 차원 n x n의 열화 모드 결합 행렬을 사용하여 복수의 전류(I 1 , I 2 , I 3 )의 중복 측정을 계산하되, n 위상 시스템에 대한 n+1개의 자기장 검출기 중 n은 n+1 열화 모드 결합 행렬(K 123 K 124 K 134 K 234 )을 계산하는 데 사용되는, 단계를 포함하는, 방법. - 선행 청구항에 있어서, 전류 측정 시스템의 회로의 계산 유닛은 각 위상 전류에 대해 차동 측정을 실행하며, 차동 측정을 위한 결합 행렬 K'는 교정 방법으로 결정되는, 방법.
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