파워 일렉트로닉스 분야는 파워 컨디셔너의 전력변환 효율 측정, 인버터·모터의 효율 측정, 리액터의 손실 측정 등 다양하게 고정밀도 전력(전류와 전압) 측정이 요구된다. 이 글에서는 특히 전류 측정 기술에 논점을 맞춰 오래전부터 독자적인 기술로 전류센서와 전력계(파워 아날라이저) 양쪽 모두 개발해온 회사의 노하우를 소개한다.
전류측정 방식
파워 아날라이저에 따른 전류측정은 일반적으로 직접결선 방식(그림 1(a))과 전류센서 방식(그림 1(b)) 중 한가지 방법으로 진행된다.
▲ 그림 1. 직접결선방식(a)과 전류센서방식(b)
아래에 각각의 특징을 나타냈다. 직접결선 방식은 측정대상의 배선을 파워 아날라이저까지 끌고 와 직접 전류를 측정하는 방식이다.
이 방식은 측정의 원리 자체가 아주 단순하면서 전력계만으로 전류를 측정할 수 있다는 장점이 있기 때문에 오래전부터 사용되어 왔다.
그러나 전류 배선을 끌고와, 파워 아날라이저의 전류 입력부를 측정대상의 회로에 삽입하는 만큼 다음과 같은 단점이 있다.
(1) 측정 시 측정대상의 상태가 실제 가동상태와 다르다.
(2) 끌고온 배선의 배선저항에 의해 손실이 증가한다.
(3) 배선 간 및 배선--GND간에 용량결합이 발생해 고주파의 누설전류가 증가한다.
예를 들면, (2)의 경우, AWG6의 선재를 5m 끌고 왔다고 가정하면 배선저항은 약 6.5밀리옴이 된다. 측정대상의 전류가 30A라고 한다면 배선저항에 의한 손실은 5.85W나 된다.
5.85W라는 값만으로는 대소판단이 어렵지만 측정대상의 전력값에 따라서는 손실분을 무시할 수 없다.
또한, 직접결선 방식에서는 일반적으로 션트저항을 사용해 전류를 검출한다. 이 션트저항방식에는 다음과 같은 단점이 있다.
(1) 션트저항에 전류가 흐르면 전류의 제곱에 비례한 쥴 열(Joule heat)이 발생한다. 이 쥴 열은 계기손실이 될뿐더러 자기가열에 의해 션트저항 자체의 저항값을 변화시키기 때문에 측정 정확도를 떨어뜨린다.
(2) 발생하는 쥴 열을 억제하기 위해 저항값이 작은 션트저항을 사용할 수도 있다.
그러나 저항값이 작은 션트저항에서는 미세하게 포함된 유도성분을 무시할 수 없어 주파수 특성이 악화된다. 이러한 것들은 전부 전류, 전력의 측정 정밀도를 크게 악화시키는 요인이 되기 때문에 대전류를 측정할 때는 주의가 필요하다. 그림 2에는 2밀리옴 션트저항에 20A 전류를 흘려 보냈을 때 자기가열의 모습을 나타낸다. 비교를 위해, 배선에 당사 50A정격 전류센서 CT6862를 연결했더니 션트저항은 쥴 열에 의한 자기가열로 인해 50℃ 정도까지 온도가 상승했다.
▲ 그림 2. 션트저항의 자기가열
한편, 전류센서는 쥴 열이나 그에 따른 자기가열이 거의 없고, 계기손실이나 센서 자체의 온도특성이 측정 정밀도에 미치는 영향 또한 적다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 논리로, 직접 결선 방식은 전자기기의 대기전력측정이나 LED조명의 소비전력측정과 같이 션트저항의 쥴 열에 의한 영향이 충분히 작은 미소전류(1A정도) 측정에 매우 효과적이다.
전류센서 방식
전류센서 방식은 측정대상의 배선에 전류센서를 연결하고 센서의 출력신호(전류 또는 전압)를 파워 아날라이저에 입력해 전류를 측정하는 방식이다. 전류센서방식의 경우, 측정 시 측정대상의 상태가 실제 가동상태와 동일하며, 대전류 측정 시 자기가열도 아주 적기 때문에 측정 정확도에 영향을 미치지 않는다.
대략 5A를 기준으로, 그보다 큰 전류를 고정밀도로 측정하기에는 직접결선방식보다 전류센서방식 쪽이 적합하며, 파워 일렉트로닉스 분야에서는 일반적으로 전류센서방식이 사용된다.
그림 2는 직접결선방식과 전류센서방식에서 각각 고정밀도로 측정 가능한 전류값의 범위와 주파수대역이다. 참고로 도표 안 범위에서 벗어난다고 해서 반드시 두 방법에서 측정이 불가능하다는 의미는 아니므로 주의해야 한다. 전류센서방식으로 고정밀도 전력측정을 하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이, 5A가 넘는 전류는 전류센서방식으로 측정하는 것이 일반적이다.
전류센서방식은 직접결선방식과 같은 단점이 없기는 하나 고정밀도로 전류를 측정하기 위해서는 몇 가지 주의해야 할 점이 있다. 전류센서방식으로 고정밀도 전력측정을 하기 위한 주의점 몇 가지가 있다.
1. 적절한 전류센서를 선정
전류센서방식으로 고정밀도이면서 재현성이 높은 전력측정을 하기 위한 전제조건은 적절한 전류센서를 선정하는 것이다. 구체적인 선정의 기준으로는 다음 두가지를 들 수 있다.
(1) 전류센서의 정격전류값이 측정대상이 되는 전류 크기에 적합할 것
(2) 측정대상이 되는 전류의 전 주파수 성분이 전류센서의 측정 가능한 주파수대역에 포함될 것
(3) 측정 가능한 주파수대 전역에 걸쳐 전류센서의 측정 정확도가 규정되어 있고 정확도 자체가 충분히 좋을 것
(4) 전류센서의 출력 노이즈나 온도특성, 도체위치의 영향, 외부자계의 영향, 대자의 영향, 동상전압의 영향 등 오차 요인이 전부 규정되어 있고 충분히 작을 것과 같은 점도 전류센서를 선정할 때 충분히 염두에 두어야 한다.
특히 (3)의 경우, 일반적인 전류센서는 정확도 규정이 DC 및 50/60Hz로 한정되어 그 외는 대표적인 특성을 제시하는데 그치는 경우가 많으므로 주의가 필요하다. 센서방식으로 전류를 고정밀도로 측정하기 위해서는 파워 아날라이저 뿐만 아니라 전류센서도 충분한 성능을 지니고 있어야 한다는 점에 주의해야 한다.
2. 전류센서를 포함한 전력측정 시스템 전체의 최적화
전류센서방식을 사용해 고정밀도로 전력측정을 하기 위해서는 앞서 말한 적절한 전류센서를 선정하는 것만으로는 충분하지 못하다.
그와 더불어 전류센서를 포함한 전력측정 시스템 전체를 최적화시킬 필요가 있다.
왜냐하면 아무리 전류센서가 측정대상의 전류를 고정밀도로 검출한다 하더라도 센서의 출력신호가 파워 아날라이저에 전송될 때까지 열화되어 버린다면 고정밀도 전류측정은 실현 불가능하기 때문이다.
그림 3은 류센서를 포함한 일반적인 전력측정 시스템이다.그리고 전술한 바와 같이 전류센서에는 전류를 출력신호로 하는 것과 전압을 출력신호로 하는 것이 있다.
▲ 그림3. 직접결선방식과 전류센서방식의 고정밀도로 측정 가능한
전류값의 범위와 주파수대역
(도표 안 범위 외라고 해서 반드시 측정이 불가능하다는 의미는 아님)
일반적으로 전압출력보다 전류출력 센서를 사용하는 경우가 많기 때문에 여기서는 전류출력 센서를 사용하는 것을 전제로 설명하기로 한다.
전류센서의 출력신호를 파워 아날라이저에 열화 없이 전송하기 위한 조건은 다음과 같다.
(1) 센서용 전원의 전원품질이 양호하고 GND 잡는 법이 적절할 것
(2) 케이블 간 및 케이블—GND간 결합용량이 작고, 내 노이즈 성능이 우수할 것
(3) 파워 아날라이저의 전류입력부의 주파수특성이 양호하고 발열이 작으며 절연성능 (CMRR이 높고 누설전류가 작을 것)이 좋을 것과 같은 점을 들 수 있다.
일반적으로 전류센서, 센서용 전원, 파워 아날라이저는 각각 제조사가 다르고 케이블의 종류나 배선방법은 사용자의 판단에 맡기고 있는 것이 현실적이다.
▲ 그림 4. 일반적인 전력측정 시스템
이러한 상황 속에서 상기 조건을 모두 만족하고 전류센서의 출력신호를 열화 없이 파워 아날라이저에 전달하여 실제로 전류를 고정밀도로 측정하고 있다는 것을 보증하는 것은 전류센서 제조사나 파워 아날라이저 제조사, 하물며 센서용 전원 제조사에게 대단히 어렵다는 것은 말할 필요도 없다.
그러나 당사는 전류센서와 파워 아날라이저 양쪽 모두 오래전부터 독자적인 기술로 개발해왔고, 전력측정 시스템을 구성하는 모든 요소를 한 회사에서 단독으로 제공하는 세계 유일 계측기 제조사이다. 당사의 전력측정 시스템의 특징은 다음과 같다.
(1) 전류센서는 전압출력형이며, 측정 가능한 주파수대 전역에 걸쳐 정확도가 규정되어 있다.
(2) 파워 아날라이저의 전류입력을 전압출력형 전류센서 전용으로 하여 센서의 출력전압 레벨과 파워 아날라이저의 전류입력부로의 입력전압레벨을 최적화한다.
(3) 파워 아날라이저에 센서용 전원이 내장되어 있어 센서에 공급되는 전원품질은 당사에서 실시한 정확도 규정 시와 항상 동일하다. 또한 당사의 파워 아날라이저는 센서용 전원과 GND를 일치시킴과 동시에 그라운드 루프의 요인을 제거하는 등 측정의 정밀도와 재현성을 향상시키기 위한 방안이 고안되어 있다.
(4) 센서의 출력 케이블로서 실드선을 사용해 노이즈 대책을 함과 동시에 센서 출력의 게인 조정을 실시하여 케이블에 의한 미세한 전압강하 분을 없앴다.
또한 당사에서는 전류센서와 파워 아날라이저를 조합하여 사내 및 제3자 인증기관을 통해 측정 정확도 평가 및 노이즈 시험을 실시하고 있다.
그림 5는 회사의 전류센서 (CT6862, CT6863, 9709, CT6841, CT6843, 3274)와 파워 아날라이저(PW6001)를 조합한 전력측정 시스템의 Immunity test를 제3자 인증기관에서 실제로 실시했을 때의 모습이다.
▲ 그림 5. 제3자 인증기관에서의 당사 전력측정 시스템의 Immunity test 모습
이와 같이, 시스템 전체가 최적화될 수 있도록 하나하나의 구성요소를 설계하고 구성요소를 조합한 시스템 전체에서의 평가를 실제로 실시함으로써 세계 최고 수준의 전력측정 시스템을 고객에게 제공하고 있다.
Hajime Yoda _ HIOKI E.E. Corp
Hiroki Kobayashi _ HIOKI E.E. Corp
Shinya Takiguchi _ HIOKI E.E. Corp
