[논문]LC 공진소자를 이용한 비접촉 전류센서 연구

신광호

doi:10.4283/jkms.2016.26.4.137

초록
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전력의 효율적인 사용과 에너지 절감을 위한 비접촉 전류측정에 대한 요구가 커지고 있다. 본 연구에서는 무선 비접촉 측정을 가능하게 하는 2개의 결합코일과 전류의 인가에 의해서 인덕턴스가 변화하는 센서코일을 이용한 공진회로를 구성함으로써, 인가되는 전류의 크기에 따라 공진주파수가 변화하는 것을 이용한 비접촉 전류센서를 제안한다. 센서코일의 인덕턴스는 외부에 자석을 부착함으로써 부여되는 바이어스 자계에 의해서 자계(전류)의 크기뿐 아니라 방향을 판단할 수 있었다. 본 연구에서 구성한 비접촉 전류측정장치를 이용하여서 -3~+3 A의 전류를 측정하였을 때 18 V의 출력전압변화를 얻을 수 있었으나, 전류에 대한 출력특성은 선형적이지 않았다. 본 연구에서 제안하는 비접촉 전류측정방법(장치)를 보다 현실화시키기 위해서, 향후 출력신호의 선형화와 분해능의 엄밀한 검토가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

There is a growing demand for non-contact current measurements for efficient use of electrical power and energy saving. In this study, I propose a non-contact current sensor using LC resonance by a resonance circuit composed of a sensor coil and 2 coupling coils for enabling a wireless measurement. ...

There is a growing demand for non-contact current measurements for efficient use of electrical power and energy saving. In this study, I propose a non-contact current sensor using LC resonance by a resonance circuit composed of a sensor coil and 2 coupling coils for enabling a wireless measurement. The inductance of the sensor coil, which could be changed by applied current, causes the change of resonance frequency of the resonance circuit. A pair of magnet was attached to the ferrite core to apply a bias magnetic field that enabled the determination of the current direction. We obtained an output voltage change of 18 V with the current of -3~3 A. But, the output was nonlinear. In order to realize the non-contact current measuring method proposed in the present study, there is a need for a strict investigation of linearity and resolution for the future study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 중에서 LC 공진을 이용하는 방법은 전류측정과 신호전송을 수동적인 방법으로 구현할 수 있기 때문에 측정시스템을 보다 단순하고 작게 할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 페라이트코어에 설치한 1차측 권선에 흐르는 전류에 의해서 페라이트코어의 투자율이 변화하게 되고, 투자율의 변화에 의해서 공진주파수가 변화하는 현상을 이용한 비접촉식 전류센서에 대한 기초적인 연구결과를 보고한다.
본 연구에서는 비접촉 전류측정장치를 개발하기 위해서, 공심 결합코일과 페라이트코어에 전류인가코일과 인덕턴스측정코일을 감아서 제작한 센서코일을 이용하여서 LC 공진기를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
그러나, 작업자의 실수 등으로 변류기의 2차측을 단락시키지 않고 작업을 실시할 경우, 변류기의 2차측에 흐르는 전류에 의해서 감전 및 화재 사고가 발생할 수 있다[2]. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위한 방법 중 하나로, 변류기의 2차측에서 발생하는 신호(1차측 전류에 비례하는)를 비접촉으로 신호처리회로로 전달할 수 있는 방법에 대해서 본 연구에서는 검토하고 있다.

제안 방법

Fig. 4에서 알 수 있듯이, 본 연구에서 제안하는 비접촉 전류측정방법은 센서코어에 설치된 전류인가권선에 흐르는 전류에 비례하는 공진주파수의 변화를 읽음으로써 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 전류를 측정하기 위해서는 주파수를 변환시킬 수 있는 전원장치와 공진주파수를 자동으로 읽어낼 수 있는 장치가 필요하기 때문에, 신호처리회로를 구성하는 관점으로는 바람직하다고 볼 수 없다.
1에서 나타낸 2개의 결합코일 사이에 상호인덕턴스(M)은 두 코일 사이의 거리에 의존한다. 본 연구에서는 두 코일 사이의 거리를 10 cm로 고정하여서 측정을 하였다.
제작한 LC 공진기의 전기적 특성(인덕턴스, 임피던스)은 LCR 미터(Hioki3532)를 이용하여서 100 kHz의 주파수에서 10 mA의 전류를 인가하면서 측정하였다. 신호발생기(Tektronix Co.,AFG3021)를 이용하여서 주파수와 전압크기가 제어된 입력신호(V_in)을 공급하였고, 디지털오실로스코프(Tektronix Co.,TBS1000)를 이용하여서 출력 신호의 크기 및 공진주파수를 측정하였다. Fig.
1에서 나타낸 구조로는 전류의 방향을 파악할 수가 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 연구에서는 Fig. 1에서 나타낸 센서코일의 페라이트코어 양쪽 끝에 직경 3 mm, 길이 8 mm의 NdFeB 자석을 부착하여 바이어스 자계를 인가하였다. 바이어스 자계를 인가함으로써 페라이트코어의 자화벡터(Magnetization vector)를 한쪽 방향으로 정렬시키면 권선에 흘리는 전류에 의해서 자화가 가지는 정적에너지가 변화하며, 이는 페라이트코어의 상대투자율의 변화, 즉 권선의 인덕턴스의 변화를 야기하게 된다.
등가회로 상에서의 캐패시턴스는 코일의 선간 캐패시턴스와 코일 외부에 설치한 캐패시턴스의 합으로 표시되어야 하지만, 측정된 코일 선간 캐패시터는 ~1 pF 정도로, 외부에 설치한 캐패시턴스에 비해서 충분히 작으므로 무시하였다. 제작한 LC 공진기의 전기적 특성(인덕턴스, 임피던스)은 LCR 미터(Hioki3532)를 이용하여서 100 kHz의 주파수에서 10 mA의 전류를 인가하면서 측정하였다. 신호발생기(Tektronix Co.
5 μH와 2 Ω이었다. 제작한 센서코일과 SMD 타입의 캐패시터(500 pF)을 연결하여서 LC공진기를 구성하였고, 결합코일과 직렬로 SMD 캐패시터(50pF)을 연결하였다. 이러한 구성으로 2개의 공진주파수를 가지는 LC 공진기를 구현할 수 있다.

대상 데이터

Fig. 1에서 나타낸 결합코일은 플라스틱재질의 보빈에 평균 직경 40 mm, 폭 2.5 mm로 에나멜절연 구리선(직경 0.21 mm)를 77턴 감아서 제작하였으며, 센서코일은 1 MHz 이하의 주파수에서의 상대투자율이 1500인 Ni-Zn 페라이트코어(TDK Co., 길이 15 mm, 직경 3 mm)에 직경 0.2 mm의 에나멜절연구리선을 160턴 감아서 제작하였다.

성능/효과

본 연구에서 구성한 비접촉 전류측정장치를 이용하여서 −3~+3 A의 전류를 측정하였을 때 18 V의 출력전압변화를 얻을 수 있었다.

후속연구

그러나, 인가 전류에 대한 출력특성은 선형적이지 않았는데, 이는 자석부착을 통한 바이어스 자계의 크기가 적절하지 못하였기 때문으로 파악되었다. 본 연구에서 제안하는 비접촉 전류측정방법(장치)를 보다 현실화시키기 위해서, 향후 출력신호의 선형화와 분해능의 엄밀한 검토가 필요하다.
2(b)에서, 0~−3 A의 전류영역에서 인덕턴스는 0~+3 A의 전류 영역에 비하여 변화량이 작다. 이 문제를 개선하기 위해서는 적절한 바이어스 자계를 인가할 수 있는 방법이 필요하며, 자석의 형상과 크기, 혹은 자석의 잔류자속밀도 등을 최적화함으로써 해결될 수 있을 것으로 판단된다.
4에서 나타낸 공진주파수를 측정하기 위해서 디지털오실로스코프를 이용하였기 때문에 주파수의 구분, 즉 분해능이 좋지 않았다. 향후 본 연구에서 제안하는 방법의 전류측정에 있어서, 분해능에 대한 엄밀한 검토가 필요한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전류를 측정하는 방법 중 간접적인 방법에는 무엇이 있는가?	전력의 효율적인 사용과 에너지 절감에 대한 사회적 요구가 커지고 있다. 전류를 측정하는 방법들은 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나눌 수 있고, 직접적인 방법은 정밀한 저항에 전류를 흘리면서 저항의 전압강하를 측정하는 방법이 널리 사용되고 있으며, 간접적인 방법으로는 변류기(Current Transformer, 보통 CT로 불리운다)를 이용하는 방법, 로고우스키코일(Rogowski coil)을 이용하는 방법, 자성체코어와 홀센서를 같이 이용하는 방법 등이 있다[1].
	변류기를 점검, 보수 및 교체를 할 때 화재 사고가 발생하는 원인은 무엇인가?	보통 변류기는 2차측을 개방하였을 때 매우 큰 전압이 유기되기 때문에, 변류기를 점검, 보수 및 교체를 할 때에는 2차측을 단락시키고 작업을 실시하여야 한다[2]. 그러나, 작업자의 실수 등으로 변류기의 2차측을 단락시키지 않고 작업을 실시할 경우, 변류기의 2차측에 흐르는 전류에 의해서 감전 및 화재 사고가 발생할 수 있다[2]. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위한 방법 중 하나로, 변류기의 2차 측에서 발생하는 신호(1차측 전류에 비례하는)를 비접촉으로 신호처리회로로 전달할 수 있는 방법에 대해서 본 연구에서는 검토하고 있다.
	고전압 송배선선로에 변류기를 사용하는 이유는 무엇인가?	이러한 방법들 중에서, 수 kV 이상의 고전압 송배전선로에는 매우 높은 전류가 흐르기 때문에 대전류치를 정해진 비율에 따라 1~5 A 정도의 낮은 전류치로 변환하는 변류기가 흔히 사용된다. 보통 변류기는 2차측을 개방하였을 때 매우 큰 전압이 유기되기 때문에, 변류기를 점검, 보수 및 교체를 할 때에는 2차측을 단락시키고 작업을 실시하여야 한다[2].

참고문헌 (7)

Bryan Yarborough, Power Electronics Technology (2012) pp. 28-32.
S. W. Choi and K. C. Song, J. Korean Society of Safety 22, 20 (2007).
H. Okada and T. Itoh, Wireless Sensor Network (2013) pp. 223-228.
E. Chobot, D. Newby, R. Chandler, N. Abu-Mulaweh, C. Chen, and C. Pomalaza-Raez, International Journal of Embedded Systems and Applications (IJESA) 3, 1 (2013).
A. J. DeRouin, B. D. Pereles, T. M. Sansom, P. Zang, and K. G. Ong, J. Sens. Technol. 3, 63 (2013).

상세보기
J. Zubia, L. Casado, G. Aldabaldetreku, A. Montero, E. Zubia, and G. Durana, Sensors 13, 13584 (2013).

상세보기
D. Howard Dellinger, L. E. Whittmore, and R. S. Ould, Radio Instruments and Measurements 248 (1924).

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