안녕하세요, 엔지니어 블로그의 글랜입니다.
오늘은 전류 측정 방식에 대해 알아보는 시간을 가지겠습니다.
1. 전류 측정의 목적
전류를 측정하려는 이유는 다양합니다. 한번 살펴 볼게요.
- 자신이 설계한 전류량이 정확히 흐르고 있는지 확인하기 위함도 있구요.
- 모터 드라이브분야에서는 출력 토크(Torque)가 전류의 함수로 이루어져 있기 때문에, 전동기 권선에 흐르는 전류가 전동기 기계적 출력의 고성능 제어에 있어서 필수적 요소입니다.
2. 전류 측정 방식
상기의 사유로 전류를 측정하고자 할때, 중요한 요소는 얼마나 빠르고 정확하게 전류를 측정할 수 있을지 입니다. 전류를 피드백 받는 시스템에서는 이 요소들이 전체 성능에 결정적인 요소일 수 있기 때문입니다.
위 요소를 만족하기 위해 측정 잡음(Noise)에 강하고 시지연(delay)을 최소화할 수 있는 측정방식이 요구되는데요. 둘 다를 만족하는 방식이 있더라도 비싸겠죠..(Trade-off) 하기에 산업체에서 통상적으로 사용되는 전류 측정방식에 대해 소개해드리겠습니다.
1) 션트(shunt) 저항 전류 측정 방식
이 방식은 가장 간단한 방법입니다. 옴의 법칙에 의해 전류는 전압 나누기 저항으로 구할 수 있는데요. 측정하고자하는 전류 path에 저항을 두고 저항 양단의 전압을 측정하는 방식입니다. 구성은 하기 그림을 참고해주세요.
① 장점
- 구현이 간단합니다.
- 가격(Cost)가 저렴합니다. ← 션트 저항 방식을 사용하는 가장 큰 이유
② 단점
- 전류가 흐를때의 저항에 의해 발생되는 손실로 인해 측정 전류가 제한됩니다. ( + 방열에 주의 )
- 손실을 최소화하기 위해서는 측정되는 전압을 작게하여야 하므로, 신호 대 측정 잡음의 비(SNR)이 나빠집니다.
- 전류 측정 범위는 약 수 A 미만으로, 제한적입니다.
- 전력회로와 전기적으로 절연되지 않기 때문에, 별도의 절연회로가 필요합니다.
2) 변류기(Current Transformer, CT)를 이용한 전류 측정 방식
하기의 그림과 같이 변압기의 원리를 이용하여 1차측에 흐르는 전류를 변압기의 권선비 만큼 2차측 전류로 바꾸고, 2차측의 저항을 연결하여 2차측 전류를 전압 신호로 바꾸어 측정하는 방식입니다.
① 장점
- 비교적 간단합니다.
- 대전류 측정시 가격이 저렴합니다.
- 전력 회로와 전기적 절연된 신호을 얻을 수 있습니다.
② 단점
- 직류 전류 측정이 원리적으로 불가능합니다. (동기기의 정지시 전류 측정 불가)
- 코어의 자기포화(Magnetic Saturation)에 의해 측정 전류가 일정 범위를 벗어나면 비선형성이 증가합니다.
3) 홀 센서(Hall Sensor)를 이용한 전류 측정 방식
도선에 전류가 흐르면 자장(Magnetic Field)를 발생시킵니다. 발생되는 자장의 크기는 전류의 크기에 비례하며 시지연이 존재하지 않으므로, 전류가 흐르는 도선 주위의 자장을 측정함으로써 전류를 간접적으로 측정할 수 있습니다. 이러한 방식이 바로 홀 센서 방식입니다.
① 장점
- 광범위한 온도 변화와 비교적 넓은 전류 측정 범위를 가지고 있습니다.
- 1% 이내의 측정 정밀도를 유지할 수 있으며, 측정 대역폭도 수 백 kHz 이상을 유지할 수 있습니다.
② 단점
- 외부 자기장이 높은 환경에서는 사용할 수 없습니다.
- 가격이 상대적으로 높습니다.
이상입니다.
감사합니다.
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