스마트 에너지 및 자동화에서 부하 모니터링을 위한 감지 기술

더 스마트한 에너지를 위한 감지

에너지 측정 기술은 환경 보호와 비용 청구 측면에서 오늘날 전 세계의 핵심 당면 과제입니다. EU의 대형 연소 설비 지침과 같은 이니셔티브에 따른 화석 연료 전력 스테이션의 폐쇄로 그리드가 더욱 재생 가능 자원에 의존하게 되었습니다. 또한 이로 인해 수요 관리 및 소비자 행동의 고무적인 변화의 중요성이 높아집니다. 전 세계 각국 정부는 공급을 관리하고 수요를 줄이는 데 필요한 정보를 전기업체 및 소비자에게 제공하는 것을 목표로 스마트 계측기 구축에 착수하여 기후 변화에 대처하면서 그리드 안정성을 보장하고 있습니다.

스마트 계측기로 변경하는 데에는 시간이 오래 걸리겠지만 홈 에너지 표시 장치(그림 1)는 이미 현장에서 사용되고 있습니다. 이를 통해 실시간 소비 데이터를 사용자에게 제공하면 절약 기회를 식별할 수 있습니다. 전력과 에너지를 계산하려면 계측기 캐비닛에 설치되어 수신기와 실내의 디스플레이 장치에 데이터를 무선으로 전송하는 센서 장치에서 전류 흐름을 정확하게 측정해야 합니다. 전류 센서는 기존 계측기나 구내에 들어오는 주 공급 케이블에 대한 방해를 최소화하면서 쉽게 설치할 수 있어야 합니다. 회로에서 연결하지 않고 간단하게 전원 케이블에 클램프로 장착할 수 있다면 가장 이상적입니다.

그림 1: 클램프 장착 센서와 정보 디스플레이 장치로 구성된 홈 에너지 디스플레이는 스마트 계측기 전체를 업그레이드하지 않아도 사용량 데이터를 제공할 수 있습니다.

장비 관리 및 보호를 위한 감지

절연된 전류 센서는 현재 각광받고 있는 스마트 에너지 응용 분야 외에도 에너지 효율적인 장비 작동, 신속한 장비 고장 감지, 안전 인터로크 조정 등 산업 자동화 분야에서 다양한 역할을 하고 있습니다. 감지할 수 있는 전류는 몇 밀리암페어에서 수십 또는 수백 암페어까지 다양합니다. 정보를 PLC로 전송하면 시스템에서 경보를 울리거나 수정 조치를 취할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 전류에 따른 기계 및 외부 회로망 제어

역률 보정(PFC)은 에너지 효율을 높이고 AC 전선의 고조파 오염을 방지하는 용도로 널리 사용됩니다. 입력 시에 보정 커패시터가 대량으로 연결되어 있지 않은 한 대형 모터와 같이 유도력이 큰 부하는 역률이 낮습니다. 부하 조건이 가장 크고 역률이 최악인 상황에서 가장 높은 정전 용량이 필요합니다. 그러나 경부하에서는 정전 용량을 줄이지 않으면 보정이 과도하게 일어납니다. 모터 입력 전류를 모니터링하면 시스템에서 적용된 부하를 감지할 수 있습니다. 부하가 가벼우면 전류로 작동하는 스위치로 PFC 커패시터에 대한 연결을 분리하며 과도한 보정을 방지할 수 있습니다.

자동화된 공장 장비에서 고장이 발생한 경우에는 가능한 한 빨리 원인을 파악하고 수정 조치를 취하는 것이 중요합니다. 예를 들면 온도를 정밀하게 제어하며 가열해야 하는 산업용 노의 제어나 제약 프로세스가 있습니다. 생산성 손실을 방지하려면 발열체에서 장애가 발생할 경우 빨리 감지할 수 있어야 하는데 온도 모니터링을 통한 장애 감지는 느릴 수 있습니다. 온도가 크게 변할 때까지 아무 조치를 취하지 않으면 품질이 손상되고 귀중한 재료가 낭비될 수 있습니다. 발열체에 장애가 있으면 바로 발생하는 전류의 갑작스러운 강하를 감지하면 백업 히터를 켜는 등의 반응을 적절한 시기에 트리거할 수 있는 즉각적인 지표가 제공됩니다.

마찬가지로 모터에 대한 전류 입력을 감지하면 컨베이어 벨트 걸림 등의 문제를 즉시 감지하고 전류 측정값을 PLC로 보내서 모터를 빨리 끄는 방식으로 안전을 강화할 수 있습니다.

산업용 장비에서 전류 감지의 다른 응용 분야는 안전 인터로크를 관리하는 것입니다. 기계가 아직 가동 중인 동안은 가드의 개방을 방지하여 작업자를 보호하도록 설계할 수 있습니다. 또는 인터로크로 다양한 드라이브와 액추에이터가 올바른 순서에 따라서만 작동하도록 하여 장비 손상을 방지하거나 프로세스의 조율을 도울 수도 있습니다. 전류 소비를 통해 서브 시스템이 켜져 있는지 여부를 비교적 정확하게 알 수 있기 때문에 전류로 작동하는 스위치는 이러한 인터로크를 조정하는 데 이상적인 수단입니다.

마지막으로 산업 안전을 전반적으로 강화하기 위해 진행 중인 이니셔티브로서 보통 주 차단기에 설치되는 보호 회로망 외에도 기계별로 접지 결함 보호를 구현하고 있습니다. 장비에 전력을 공급하는 전력선에서 전류를 모니터링하는 접지 결함 센서를 사용하면 접지 회로 장애의 전조가 되는 미세한 누전을 빠르고 안전하게 감지할 수 있습니다.

전류 센서 선택

전류로 작동하는 스위치, 장애 감지기 및 계측 회로망에 사용하기에 적절한 센서의 중요 속성에는 최적의 안전을 위한 전기 절연, 모니터링하는 회로의 전력 소비 최소화, 사용 편의, 낮은 비용이 포함됩니다. 응용 분야에 따라서는 측정 범위 및 대역폭이나 열악한 환경 조건을 견디는 능력도 중요한 기준이 될 수 있습니다. 홀 센서, 변류기, 로고스키 코일 센서는 이러한 요구 사항을 충족하는 대표적인 세 가지 센서입니다.

홀 센서

홀 효과 전류 센서는 전류가 흐르는 컨덕터 주위에 생성되는 자기장에 반응하며 도체를 흐르는 전류에 비례하는 출력 전압을 생성합니다. 일반적인 선형 전류 센서에서는 홀 소자가 포함된 IC를 홀 효과 IC의 자기 플럭스를 농축하도록 설계된 자기 코어와 결합합니다. IC와 코어는 플라스틱 하우징 내부에 설치하도록 설계되어 있어 두 부품이 모두 서로의 상대적인 위치를 정확하게 파악할 수 있습니다.

Infineon TLI4970 홀 센서에는 주요 하등 홀 소자가 포함되어 있으며 농축기가 필요하지 않습니다. 농축기가 필요하지 않기 때문에 히스테리시스 효과가 제거되며, 차동 감지 원리 덕분에 외부의 자기장이 전류 측정을 방해하지 않습니다. TLI4970은 홀 센서를 아날로그 및 디지털 신호 조절기 회로망과 통합하며(그림 3) 동급 센서에 필요한 보드 공간의 1/6 정도 공간을 차지합니다. 이 장치로 AC 및 DC 전류를 ±50A까지 측정할 수 있습니다. 전류 측정 범위가 높은 것은 홀 센서의 잘 알려진 장점이지만 로고스키 코일이나 변류기 등의 다른 센서는 일반적으로 측정 범위 내에서 선형성이 더 좋습니다.

그림 3: TLI4970은 이력 현상 효과를 제거하고 PCB 공간을 절약합니다.

변류기

변류기는 스위치 모드 전원 공급 장치와 같은 장비의 제어, 회로 보호 및 모니터링에 사용됐으며 계측 응용 분야에서는 정밀한 전류 측정에도 사용됐습니다. 이러한 장치는 교차 전류를 측정할 수 있으며 주 권선과 보조 권선 사이를 절연할 수 있습니다.

실질적으로 주 권선의 정격 전류에 따라 측정 범위가 결정되며 권선비가 높으면 측정 분해능이 높아집니다. 변류기와 응용 분야에 따라 1:20에서 1:1000 사이의 권선비가 사용됩니다. 권선비가 너무 높으면 변류기의 정전 용량과 유도 효과가 강화되어 측정의 정밀도가 떨어질 수 있습니다. 하지만 권선비가 너무 낮아도 출력 신호가 왜곡되어 측정의 정밀도가 떨어질 수 있습니다.

변류기의 단점은 고전류를 측정하기에 적합한 장치는 크기가 크다는 것입니다. Murata의 5300 계열과 같은 소형 표면 실장 변류기는 모터 제어기, 스위치 모드 전원 공급 장치, 전기 조명 밸러스트와 같은 장치에 사용하기에 적합하며 최대 대역폭 500kHz로 최대 10A 정도의 전류까지 측정할 수 있습니다.

일반적인 변류기는 도넛형 금속 코어 주위에 코일을 감아 만들며 전류가 흐르는 케이블이 여기를 통과합니다. 한편 스플릿 코어 설계를 사용하면 변류기를 케이블 주위에 클램프로 장착할 수 있습니다. 그러면 홈 데이터 디스플레이 등의 장치에 센서를 쉽게 설치할 수 있습니다. CR Magnetics CR4100 계열의 True RMS AC 전류 트랜스듀서로는 사인파 모양 및 비사인파 모양 전류 파형을 정확하게 측정할 수 있으며 도넛형 또는 스플릿 코어 구성으로 주문할 수 있습니다.

로고스키 코일 센서

로고스키 코일 원리를 사용하는 전류 센서는 홀 방식 센서나 변류기에 없는 여러 장점을 가진 것으로 주장되고 있습니다. 장점으로는 포화 없이 고전류를 측정하는 능력, 다른 센서 유형보다 큰 대역폭, 마이크로초당 수천 암페어까지의 빠르게 변화하는 전류를 측정하는 능력이 있습니다. DC 오프셋이 큰 낮은 AC 전류도 측정할 수 있습니다.

로고스키 코일 전류 센서는 전류가 흐르는 컨덕터 주위에 그림 4와 같이 배치합니다. 컨덕터 내 흐르는 전류는 전류 변화에 비례하는 크기의 전압을 코일에 유도합니다. 그러면 이 전압을 통합하여 순간적인 전류의 흐름을 계산합니다. 통합 회로망은 외부에 구현하거나 센서에 내장하여 출력 단자에 전류와 비례하는 전압을 생성하게 구성할 수도 있습니다. 전류가 흐르는 회로와 코일이 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에 기본적으로 절연 상태입니다.

그림 4: 로고스키 코일은 측정할 전류가 흐르는 케이블 주위에 배치됩니다.

로고스키 코일 전류 센서는 몇백 밀리암페어에서 수백 킬로암페어까지의 전류를 측정하도록 설계할 수 있습니다. Pulse Electronics에서는 0.1A ~ 1000A의 작동 범위와 500kHz의 대역폭, ANSI C12.20 Accuracy Class 0.2 및 IEC 62053-21 class 1 사양을 충족하는 매우 높은 정확도를 가진 PA320 계열 등의 다양한 센서 제품을 보유하고 있습니다. 이로 인해 센서를 통해 스마트 계측기의 전류를 정밀하게 측정할 수 있습니다.

결론

계측 응용 분야의 정확한 전류 측정에서 고속 전류 모니터링을 통한 산업용 기계 관리 및 주요 장애의 즉각적인 감지에 이르기까지 설계자는 홀 효과 전류 센서, 변류기, 로고스키 코일 전류 센서를 사용하여 성능, 신뢰성, 비용과 같은 중요한 목표를 충족하는 솔루션을 유연하게 선택할 수 있습니다.