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제품기초지식

제3회 전력 측정 응용편【대기 전력 측정/ D/A 출력/ 노이즈 대책】

관리자 2024-05-30 조회수 133

목차

제1회 단상 전력계와 전력 기초 지식【전력이란/ 단상, 삼상/ 기본 용어】

제2회 단상 전력계에서의 실측【전력계 구조 해설/ 결선/ 설정/ 배선】

제3회 전력 측정 응용편【대기 전력 측정/ D/A 출력/ 노이즈 대책】

  

PC와 조합하여 WT310E 사용

통신 인터페이스의 종류와 특징

최근의 계측기들은 기능 고도화가 진행되고 있어, PC와 조합해 이용하는 편이 좋은 경우가 있다. WT310E에서는 통신 인터페이스를 사용하여 측정 결과 등을 PC로 전송할 수 있도록 되어 있다.

표 12. WT310E에서 사용할 수 있는 통신 인터페이스 유형 및 특징

 전송 속도
(규격값)
최대 케이블 길이특징
USBUSB1.1: 최대 12Mbps
USB2.0: 최대 480Mbps
USB3.0: 최대 5Gbps
USB1.1: 최대 5m
USB2.0: 최대 5m
USB3.0: 최대 3m
거의 모든 PC에 통신 인터페이스로서 표준 탑재되어 있다.
접속 설정이 간단하다.
이더넷10BASE-T: 10Mbps
100BASE-T: 100Mbps
10BASE-T: 최대 100m
100BASE-T: 최대 100m
거의 모든 PC에 통신 인터페이스로서 표준 탑재되어 있다.
접속에는 네트워크의 지식이 필요하다.
GPIB최대 1MB/초최대 4m(디바이스 간)
최대 20m or
장치수 × 2m의 짧은 쪽
측정기 전용으로 노이즈 내성이 좋다.
PC측에 GIIB 인터페이스 카드가 필요하다.
RS-232최대 20Kbps15m
PC에서는 표준 탑재되어 있지 않지만, PLC등에서는 자주 사용되고 있다.
고속 데이터 전송에는 적합하지 않다.

 

USB나 이더넷의 통신 인터페이스는 PC에 표준 탑재되어 있으므로 자주 사용된다. USB는 이용하기 위한 특별한 지식이 필요 없기 때문에 이용되는 경우가 특히 많다. GPIB는 Hewlett-Packard(HP, 현재의 키사이트 기술)에 의해 개발된 HP-IB가 1975년에 IEEE488로서 표준화된 계측기 전용의 인터페이스이며, PC에 전용 인터페이스 기판의 장착 및 전용 통신 케이블이 필요하기 때문에 지금은 별로 사용되지 않게 되고 있다. RS-232는 PLC(Programmable Logic Controller)와 접속할 때 편리한 통신 인터페이스이다.

 

WTViewerFreePlus 개요

WT310E를 위해 만들어진 WTViewerFreePlus (WT310E/WT310EH/WT332E/WT333E용)는 본체 출하시 동봉된 CD에 들어 있다. 이 PC 소프트웨어를 이용함으로써 WT310E가 가지는 다양한 기능을 PC상에서 쾌적하게 사용할 수 있다. WTViewerFreePlus의 기본 기능은 아래 그림과 같습니다. 아이콘에 의해 각각의 기능을 나타내는 것과 같은 기능이 되어 있다.

그림 58. WTViewerFreePlus의 전체 기능

 WTViewerFreePlus에서는 WT310E의 본체의 내부 상태를 설정하는 기능은 아래 그림과 같은 구조로 되어 있다.

그림 59. WTViewerFreePlus의 WT310E 구성 구조

 

실제 WTViewerFreePlus의 PC 화면은 아래 그림과 같이 되어 있다. WT310E 본체의 설정이 PC의 화면에 표시되므로 설정의 전체 내용을 보기 쉽게 되어 있다.

그림 60. WTViewerFreePlus의 WT310E 설정 화면

 

WT310E로 측정한 결과를 표시하는 화면에서는 숫자 표시 뿐만 아니라 다양한 그래프 표현이 가능하다.

그림 61. WTViewerFreePlus의 WT310E 측정 결과 표시 구조

 

실제 화면은 아래 그림과 같이 이용자가 필요한 창을 열고 PC 화면에 배치하여 사용한다.

그림 62. WTViewerFreePlus의 WT310E 측정 결과 표시 화면

 

WTViewerFreePlus를 사용한 실측

WT310E와 PC 소프트 WTViewerFreePlus를 사용하여 LED 전구의 측정을 아래 그림과 같은 구성으로 실시한다. WT310E와 PC는 USB 케이블로 연결한다.

그림 63. WTViewerFreePlus를 이용한 LED 전구 측정 구성

 

이번 측정을 행했을 때의 사진을 아래 그림에 나타낸다.

그림 64. WTViewerFreePlus를 이용한 LED 전구 측정의 실제 모습

 

WTViewerFreePlus를 사용하여 LED 전구를 측정하면 PC 화면에는 아래 그림과 같은 측정 결과를 표시할 수 있다. 전압, 전류, 유효 전력, 역률 등의 WT310E로 얻어지는 측정값은 종합하여 표시된다. 또한 전류 및 전압의 파형이나 고조파 분석의 결과도 그래프 표시로 볼 수 있다. WT310E 본체만으로는 많은 측정 결과를 일괄해서 볼 수 없지만, PC 소프트를 이용하면 쉽게 많은 측정 결과를 종합하여 PC의 화면상에서 볼 수 있다.

그림 65. WTViewerFreePlus를 이용한 LED 전구의 측정 결과 표시

그림 65. WTViewerFreePlus를 이용한 LED 전구의 측정 결과 표시

 

대기 전력 측정용 PC 소프트웨어 개요

요꼬가와 계측에서는 범용적인 WTViewerFreePlus 이외에 용도를 특화한 PC소프트웨어도 제공하고 있다. 이번 챕터 에서는 대기 전력을 IEC 규격에 따라 측정하기 위한 PC 소프트웨어에 대해 소개한다.

항상 통전 상태로 기기나 장치가 사용되지 않을 때에는 소비 전력을 억제한 대기 모드로 자동으로 되는 제품이 많이 있다. 예를 들면 예약 녹화를 할 수 있는 DVD 레코더에서는 대기시에는 시계와 마이크로 컴퓨터의 일부를 동작시킬 만큼의 작은 소비 전력의 상태가 된다. 복사기나 레이저 프린터에서는 대기 시에 즉시 인쇄를 할 수 있도록 감광 드럼의 보온을 하기 위해 간헐적으로 큰 전력을 소비하는 동작을 하고 있다. 기기 및 장치의 대기 시의 동작은 각각 다르다. IEC62301(JIS C 62301)에 따른 대기 전력의 측정은 제품 개발에 필요한 항목이다. 요꼬가와 계측에서는 WT 시리즈를 사용해 IEC62301에 대응하는 대기 전력 측정을 실시해, 결과를 보고서에 정리할 때 까지의 작업을 지원하는 소프트웨어가 무료로 제공되고 있다. IEC62301에서는 대기 전력을 측정하기 위해 사용하는 측정기에 대한 요구가 정해져 있다.

  • 유효 전력, 실제 유효 전압 및 유효 전류, 피크 전류를 측정할 수 있는 능력
  • 전력 분해능이 1mW 이상
  • 크레스트 팩터가 3 이상
  • 최소 전류 범위가 10mA 이하
  • 1초 이하의 데이터 갱신 주기
  • 고조파 왜곡률(THD)이 2% 미만(13차 고조파)
  • 전력 정확도가 0.5% 이상

대기 전력의 측정 대상이 되는 기기나 장치가 대기 시에 어떠한 동작을 하는지에 따라 사용하는 전력계를 선정하게 된다.
아래 그림은 WT310E를 사용하여 DVD 레코더의 대기 전력을 측정하는 구성을 보여줍니다.


그림 66. DVD 레코더의 대기 전력 측정

 

요코가와 계측에서는 WT310E를 사용한 대기 전력의 측정을 해설하는 동영상을 공개하고 있다. 이 동영상에서는 측정 조건의 설정, 실행, 리포트 작성까지의 흐름을 소개하고 있다.

대기 전력을 쉽게 측정하는 방법(4분 18초)
https://www.youtube.com/watch?v=HOdjRqoNLxY

 

D/A 출력을 이용한 측정

WT310E는 옵션으로 측정값에 따른 아날로그 신호를 후면 패널에서 출력할 수 있다. 이 기능은 아날로그 연산 방식의 전력계로 이루어지며, 기록계 등의 파형 측정기와 전력계를 접속함으로써 소비 전력의 변화를 용이하게 기록할 수 있다. 아래 그림에 온도 제어가 가능한 땜납 팁의 히터의 ON/OFF 제어 동작의 거동을 WT310E의 D/A 출력을 이용하여 관측하는 사례를 나타낸다.


그림 67. D / A 출력에 의한 온도 제어 기능이있는 땜납 팁의 동작 관측 구성

 

이번 측정을 행했을 때의 사진을 아래 그림에 나타낸다.


그림 68. D/A출력에 의한 온도 제어 기능이 있는 납땜 인두의 동작 관측의 실제 모습

 

온도 제어 기능이 포함된 납땜 인두의 전원을 ON 한 후, 동작(소비 전력, 납땜 인두의 온도)은 아래 그림에 나타낸 바와 같이 스코프 코더의 화면에 파형으로서 기록된다. PC를 사용하지 않아도 간단하게 온도 제어의 모습을 관측할 수 있다.


그림 69. 스코프코더 DL950의 화면에 기록된 납땜 인두의 온도 제어 거동

 

전력계를 안전하게 사용하기 위한 주의점

전력 측정은 고전압, 대전류를 다루기 때문에, 잘못된 사용법을 하면 인체에의 위험 뿐만이 아니라, 전력계의 파손을 초래하게 된다. 여기에서는 일반적인 주의점을 소개한다.

 

최대 입력 전압 및 최대 입력 전류

WT310E는 아래 표와 같이 최대 입력 전압과 최대 입력 전류를 규정한다. 최대 값의 사양은 적용되는 시간에 따라 다르기 때문에 주의가 필요하다.

표 13. WT310E 사양에 규정된 최대 입력 전압 및 최대 입력 전류

 순간 최대 허용 입력연속 최대 허용 입력
20ms 이하1초 이하
입력
단자 사이
전압 단자피크 값이 2.8 kV 또는
실효 값이 2 kV 낮은 경우
피크값이 2 kV, 또는
실효값이 1.5 kV 낮은 쪽
피크값이 1.5 kV 또는
실효값이 1 kV 낮은 쪽
전류
단자
크레스트 팩터 "3" 설정 시
0.5/1/2/5/10/20 A
피크값이 450A, 또는
실효값이 300A인 낮은 쪽
피크값이 150A, 또는
실효값이 40A인 낮은 쪽
피크값이 100A, 또는
실효값이 30A이 낮은 쪽
크레스트 팩터 "3" 설정 시
5/10/20/50/100/200 mA
피크값이 150A, 또는
실효값이 100A인 낮은 쪽
피크값이 30A, 또는
실효값이 20A인 낮은 쪽
피크값이 30A, 또는
실효값이 20A인 낮은 쪽

 

예를 들어 PWM 인버터의 전압 출력 파형은 정현파가 아니기 때문에, 미리 오실로스코프 등에서 파형의 오버슈트를 관측하여 최대 입력 전압을 초과하지 않는 것을 확인할 필요가 있다. 그 밖에도 기동시에 큰 전류가 흐르는 기기나 장치가 있으므로, 사전에 인가 전류가 사양치를 초과하고 있지 않은지 확인할 필요가 있다.

 

결선 확인

전력계를 파손하는 요인으로 많은 것은 전압과 전류의 결선을 잘못한 경우이다. WT310E의 사양에는 전압 단자 및 전류 단자의 입력 저항 사양이 기재되어 있다. 전압 단자는 고 저항, 직접 입력의 전류 단자는 저 저항이다. 교류 전원의 양단을 실수로 직접 입력의 전류 단자에 접속하면, 전류 단자에 대전류가 흘러 전력계가 파손될 위험이 있다.

표 14. WT310E 사양에 규정된 전압 단자와 전류 단자의 입력 저항

입력 단자계기 손실 (입력 저항)
전압약 2 MΩ // 약 13 pF
현재직접 입력크레스트 팩터 "3"일 때
0.5/1/2/5/10/20 A
입력 저항: 약 6 mΩ + 10 mΩ (max) 입력
인덕턴스: 약 0.1 μH
크레스트 팩터 "3"일 때
5/10/20/50/100/200 mA
입력 저항: 약 500mΩ
입력 인덕턴스: 약 0.1μH
외부 전류
센서 입력
(/EX1)
크레스트 팩터 "3"일 때
2.5/5/10V
약 100 kΩ
외부 전류
센서 입력
(/EX2)
크레스트 팩터 "3"일 때
50m/100m/200m/500m/1/2V
약 20 kΩ

 

접지 확인

WT310E의 입력 단자는 절연되어 있기 때문에 오실로스코프와 같은 비절연 입력이 아닙니다. 이 때문에 측정 대상이 공통 모드 전위를 가지고 있어도 통상은 안전하게 측정할 수 있다. 그러나 WT310E의 고장이나 열화에 의한 안전의 리스크가 있기 때문에, 실제로 전력계를 이용하는 경우는 접지를 취하는 것이 바람직하다. 실험에서의 감전의 위험에 대해서는 자연과학연구기구 분자과학연구소가 발행하는 「안전가이드 2021・2022」 )」에 감전에 의한 인체에의 영향이 나타나 있다.

표 15. 전압이 인체에 미치는 영향

접촉시접근시
전압인체에 미치는 영향전압접근 가능한 안전 거리
10V전신 수중에 있을 때는 전위 경도 10V/m가 한계3kV15cm
20V젖은 손으로 안전한 한계6 kV15cm
30V마른 손으로 안전한 한계10 kV20cm
50V생명에 위험이 없는 한계20 kV30cm
100~200V위험도가 갑자기 증가30 kV45cm
200V 이상생명에 위험60 kV75cm
약 3kV하전부에 끌려갈 수 있음100 kV115cm
10kV 이상튕겨저 나갈 수 있음140 kV160cm
  270 kV300cm

출처 : 안전 가이드 2021 · 2022 (자연 과학 연구기구 분자 과학 연구소)
https://www.ims.ac.jp/about/safetyguide2021_2022.pdf

 

또한 계측기가 노이즈의 영향을받지 않도록 접지를 취하는 것이 바람직합니다. 예를 들면, 계측기의 전원 회로에는 노멀 모드 노이즈 및 공통 모드 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 필터가 설치되어있다. 공통 모드 노이즈 제거에 접지는 필수입니다.


그림 70. 전원 노이즈 필터를 흐르는 노이즈 경로

 

빌딩이나 공장 등의 큰 구조물에서는 아래 표와 같이 다른 종류의 접지선이 준비되어 있다. 피뢰침이 있는 건물의 경우는 번개 전류를 흘리는 전용의 「외부 피뢰용 접지」가 있다. 또한 많은 건물에는 사람의 감전을 막기 위한 "보안용 접지"가 있다. 통상의 3핀 콘센트의 접지는 보안용 접지로 되어 있다. 안정된 기준 전위가 필요한 통신 기기, 서버, 의료 기기가 있는 건물에서는 보안 접지 이외에 '기능용 접지'가 별도로 준비되어 있다. 큰 파워 일렉트로닉스 기기로부터 접지선을 경유해 측정기에 영향을 주는 경우는 「기능용 접지」를 이용하거나, 다른 계통의 「보안용 접지」를 이용한다.

표 16. 건물의 접지 유형과 용도

 전기 설비용 접지피뢰 설비용 접지
【외부 피뢰용 접지】
강전용 접지
【보안용 접지】
통신 약전용 접지
【기능용 접지】
종류기기용(케이스 어스), 계통용, 지락 검출용, 피뢰기용기능용, 잡음 방지용, 정전기 장해 방지용외부 피뢰용
목적감전 방지, 전위 상승 방지, 화재 방지, 누전 방지, 절연 협조 및 장비 피뢰전자통신기기의 기능유지와 안전동작건축물과 인체 보호

출처:빌딩의 통합 접지 시스템 구축을 향해(전기 학회지 118권 9호 1998년) https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjournal1994/118/9/118_9_518/_pdf

 

WT310E를 설치할 때의 주의점

WT310E를 테이블에 놓아 사용하는 경우나 랙에 장착하여 사용하는 경우는 아래 그림에 나타내는 주의가 필요하다.


그림 71. 설치할 때의 주의점

 

WT310E는 가벼운 측정기이기 때문에 책상 위에서 이용하는 경우 등에서는 배선의 무게로 측정기가 낙하할 위험이 있다. 낙하의 위험이 있는 경우는 WT310E를 밴드 등으로 고정하는 것이 바람직하다.

 

노이즈 대책

파워 일렉트로닉스 기기가 설치되는 환경에서 측정을 실시하기 위해서는 노이즈 대책이 필요한 경우가 있다. 전력계는 측정 대상이 되는 기기나 장치의 근처에 설치하여 이용하기 때문에, 외부로부터의 노이즈의 영향을 받기 쉽다.
아래 그림과 같이 WT310E에 영향을 미치는 노이즈에는 유도 노이즈, 전도 노이즈, 방사 노이즈가 있으며, 노이즈의 특성이나 종류에 따라 대책이 취해진다.


그림 72. WT310E에 영향을 미치는 노이즈 사례

 

노이즈 대책은 실제의 측정 환경을 보고 대책을 결정해 간다. 주로 아래 표와 같은 대책이 생각된다.

표 17. 측정에서의 일반적인 노이즈 대책 사례

 노이즈 대책
신호 배선측정 대상과 전력계를 연결하는 배선을 짧게 한다
배선은 트위스트 페어선이나 실드선을 사용 한다
배선에 페라이트 코어를 삽입하여 커먼 모드 노이즈 억제 한다
노이즈원이 되는 배선에 신호선을 접근 시키지 않는다.
급전, 접지측정 대상이 되는 기기와 전력계는 분전반에서 배선을 분리한다
측정 대상과 전력계의 접지를 분리 시킨다.
계측기 전원 공급시, 노이즈를 저감시키는 절연 트랜스를 설치 한다
전력계 설치측정 대상으로부터 전자기적 영향을 받지 않도록 배치 한다
측정 대상으로부터 전자기적인 영향을 받지 않도록 쉴드 처리 한다
전력계 설정전력계의 필터 기능을 사용하여 노이즈를 제거 한다
전력계의 평균화 기능 활용 한다
통신 케이블측정 대상으로부터의 전도 노이즈를 피하기 위해 광 절연을 실시 한다

 

파워 일렉트로닉스 기기의 실험에서는 위험이 수반되는 경우가 있기 때문에, 전력계를 측정 대상의 가까이에 두고, 떨어진 장소에 둔 PC로부터 조작이나 측정 결과의 판독을 실시하는 일이 있다. 통신선으로 부터의 노이즈의 영향을 줄이기 위해 아래 그림과 같이 광섬유 케이블을 사용할 수 있다.


그림 73. 노이즈 대책을 위한 광섬유 케이블 사용

 

WT310E 교정

전력계 소급체계 (Tracability)

측정 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 국가표준과의 소급체계(Traceability)를 확보할 필요가 있다. 전력계를 만드는 메이커에서는 국가표준으로부터 전력계를 교정하기 위한 소급체계를 독자적으로 사내에서 트레이서빌리티 체계의 확립이 측정기의 사양을 보증하는 근거가 되고 있기 때문에, 측정기 메이커에서는 사내 표준의 정밀도 유지에 노력하고 있다.
요꼬가와전기의  계측 부문은 전력 소급체계를 아래 그림과 같이 구축하고 있다.


그림 74. 요꼬가와전기 계측 부문의 전력계 교정 소급체계도

 

【소급체계(Traceability)에 대해 배우고 싶은 분에게】
소급체계(Traceability)의 개념에 대해 알고 싶은 분에게는 이하의 JEITA(전자 정보 기술 산업 협회) 강좌에 입문자용의 해설 자료를 참고.

JEITA 강좌 「계량 계측 소급체계(Traceability) 개론」
https://home.jeita.or.jp/upload_file/20130618162257_xfGtbpaTEH.pdf


 

교류 전력 교정기를 사용한 교정 작업

요꼬가와전기 계측 부문에서는 기본 정확도가 ±0.15%의 WT300E 시리즈까지의 전력 측정기의 교정을 이용자 스스로 실시하기 위해 교류 전력 교정기 LS3300을 판매하고 있다. 전력계를 많이 가지고 정기적으로 정밀도 유지 관리가 필요한 공장에서는 사내에 교정 환경이 필요할 경우가 있다.
교류 전력 교정기 LS3300과 피교정 대상인 WT310E를 아래 그림과 같이 접속하면 쉽게 교정 작업을 할 수 있다.


그림 75. 교류 전력 교정기 LS3300을 이용한 WT310E 교정 작업

 


그림 76. 교류 전력 교정기 LS3300을 이용한 WT310E 교정의 실제 모습