• 
• 
  

  • 그림 5. 플럭스게이트 센서(Fluxgate Sensors)

• 
  
  
  
• 그림 6. 1차 전류가 없는 플럭스게이트 센서
• 
  
• 
  
  

• 그림 7. 1차 전류가 흐르는 플럭스게이트 센서

   

에러 

이 모든 기술은 선형성, 오프셋, 온도, 노이즈와 같은 요인으로 인해 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 

• AC 전류 변압기의 오차는 제조 품질이나 잔류 자속(residual flux)에 따라 달라질 수 있습니다.

  홀 효과 센서는 매우 작은 전압을 감지하고 증폭해야 하는 특성과 홀 센서 재료의 특성(오프셋, 온도 변화, 노이즈)으로 인해 오차가 발생하기 쉽습니다.

  로고스키 코일은 위치 변화, 드룹(droop)/오프셋, 위상 지연(phase delay)으로 인한 오차에 취약합니다.

  선형성(linearity) 오차는 모든 종류의 센서에서 문제될 수 있으며, 기술, 구성, 온도 특성에 따라 달라집니다.

  플럭스게이트 센서는 시간 기반 측정(듀티 사이클 또는 스펙트럼 분석), 주기적 구동에 따른 낮은 자기 오프셋, 낮은 온도 변화로 인해 보다 안정적인 측정이 가능합니다.

• 
   

제로 플럭스(Zero Flux) 기술

선형성(linearity) 오차를 보정하기 위해, 센서가 측정하는 자기장이 사실상 0이 되는 “제로 플럭스(Zero Flux)” 조건에서 센서를 운용합니다. 이는 전류 변압기 내부의 보상 권선(compensation winding)을 통해 이루어지며, 보상 권선은 1차 자기장과 크기는 같지만 방향이 반대인 자기장을 생성합니다.

이 권선은 플럭스게이트 또는 홀 센서와 관련 증폭 회로로 구성된 폐쇄 루프(closed-loop) 회로에서 구동되며(그림 8 참조), 센서는 본질적으로 제로 감지 조건(단일 점) 근처에서 작동하여 이득(gain) 오차를 최소화할 수 있습니다.

또한 오프셋(offset) 오차는 전류 변압기가 연결된 데이터 수집 장치, 오실로스코프, 전력 분석기 등의 센서 장비에서 제로 오프셋(zero offset) 또는 “널링(nulling) 기능”을 적용하여 추가로 제거할 수 있습니다.

그림 9. 폐쇄 루프 플럭스게이트 제로 플럭스 전류 변압기(CT) 

주파수 응답

전류 센싱 기술과 이에 관련된 전자 회로는 대역폭에 한계가 있습니다. 그러나 폐루프 제로 플럭스 구성의 장점 중 하나는 고주파 영역에서 보상 권선이 교류(AC) 전류 변압기처럼 동작한다는 점입니다. 이는 트랜스듀서의 대역폭을 크게 확장하고 응답 시간을 단축시켜 줍니다. 본질적으로 제로 플럭스(폐루프) 전류 변압기 설계는 여러 전류 센싱 기법(예: AC 전류 변압기, 홀 효과, 플럭스게이트)을 통합하고 있습니다. 그 결과, 제로 플럭스 설계는 AC, DC는 물론 어떤 형태의 복잡한 파형도 측정할 수 있습니다.

그림10. 폐루프(closed-loop) 설계의 주파수 응

그림 11. 다중 코어 폐루프 플럭스게이트 설계

출력 

폐루프 설계의 또 다른 장점은 출력 신호가 전류 기반이라는 점입니다. 이는 고노이즈 환경에서도 보다 견고한 신호를 제공합니다. 또한 전력 분석기에서는 전류를 직접 고정밀로 측정할 수 있기 때문에, 이러한 신호 방식이 선호됩니다.

어떤 전류 변압기를 다루더라도 출력은 일정 전류원으로 간주됩니다. 이는 1차 도체에 전류가 흐를 때 2차 측이 절대로 개방 회로 상태로 방치되어서는 안 된다는 의미입니다. 개방 회로는 사실상 무한대의 저항을 형성하게 되며, 옴의 법칙 V=I×RV = I \times RV=I×R에 따라 매우 높은 전압이 발생하여 전류 변압기를 손상시키고 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

따라서 측정을 수행할 때 전류 변압기가 분리되지 않도록 각별히 주의하여 시스템을 설계하셔야 합니다.

대전류 전력 측정 구성 예시 

그림 12. 전원 공급 장치가 내장된 전력 분석기

림 13. 외부 전원 공급 키트가 장착된 전력 분석기

그림 14. 소자에 통합된 내장 전원 공급 장치를 갖춘 전력 분석기

통합 시 고려 사항

적절한 전류 센싱 제품을 선택한 후에는 장치의 통합을 신중하게 설계해야 하며, 모든 출력 유형, 정확도, 측정 범위 및 상호 연결을 철저히 평가해야 합니다.
 

사용 사례 예시 

사례 1. 

UPS 시스템 제조업체는 AC 전압, 전류, 전력의 6상과 1개의 DC 상(480Vrms, 75Arms)을 모니터링하고 측정하기 위한 계측 시스템을 설계하고 있습니다. 전력 및 고조파 모니터링이 중요하지만, 전환 이벤트 동안 왜곡된 파형을 캡처하는 것이 핵심 과제입니다. 이 계측 시스템은 데이터 수집 기반이며, 다양한 설치 장소로 쉽게 이동할 수 있어야 합니다.

데이터 수집 시스템은 일반적으로 전압 신호로 구성되며, 전력 측정 시 높은 정확도를 제공하지 않으므로 매우 정밀한 전류 장치를 선택하는 것은 큰 의미가 없습니다. 이 경우, 엔지니어는 AC/DC 모든 파형 유형에 유효한 홀 효과 기반 클램프형 센서를 선택했습니다.

설계 시 고려 사항 

• 홀 효과 클램프의 출력 전압은 종종 mV/A 단위이며, 최대 출력 전압이 1V 미만인 경우가 많습니다. 데이터 수집 시스템은 이에 맞는 전체 입력 범위를 가져야 합니다. 예를 들어, 10V 입력 범위를 사용할 경우 측정 해상도가 낮아지게 됩니다. 다중 범위 스위치(예: 400A/40A)가 있는 클램프를 사용할 때는 계측기의 적절한 스케일링을 고려해야 합니다. 클램프의 범위를 변경하면 계측기에서도 범위를 변경해야 합니다.

  홀 효과 클램프는 전원이 필요하며, 일반적으로 소형 9V 또는 AA 배터리, USB 전원, 또는 벽면용 AC-DC 플러그를 통해 공급됩니다.

  많은 홀 효과 클램프는 BNC 스타일의 연결 방식을 사용합니다. 데이터 수집 시스템도 동일한 연결 방식이 필요하며, 바나나 잭을 사용하는 경우에는 어댑터가 필요합니다.

  홀 효과는 오프셋 드리프트(offset drift)에 취약합니다. 따라서 중요한 측정을 수행하기 전에 프로브 자체와/또는 데이터 수집 시스템의 제로 오프셋(nulling) 기능을 사용해야 합니다.

  
  
• 
  

그림 15. 6상 고출력 모니터링 시스템 구성 예시

표 2. DL950 ScopeCorder를 사용한 사례 1 구성 차트

사례 2. 

인버터 기반 모터 드라이브 제조업체는 PWM 기반 AC 전압, 전류, 전력의 3상과 1개의 DC 입력 상(800Vrms, 1100Arms)에 대한 전력 측정 벤치마킹을 위해 계측 시스템을 설계하고 있습니다. 파형 분석도 중요하지만, 새로운 인버터 설계의 효율이 90% 이상이므로 가장 정확한 전력 측정이 가장 핵심적입니다. 계측 시스템은 전력 분석기 기반으로 설계되어야 하며, 고정확도의 전력, 에너지, 고조파 측정을 제공해야 합니다.

이 경우, 엔지니어는 플럭스게이트 기반 제로 플럭스 전류 변압기를 선택했습니다. 플럭스게이트는 AC/DC 모든 파형에 유효하며, 높은 대역폭이 필요한 PWM 애플리케이션에서 가장 높은 정확도를 제공합니다. 전력 분석기는 매우 정확한 장치이므로, 오류를 최소화하기 위해 가장 정밀한 전류 측정이 필요합니다. 낮은 정확도의 클램프형 또는 고정 주파수 전류 측정 장치는 적합하지 않습니다.

설계 시 고려사항

• 이 설계는 “도넛형” 구조이므로, 1차 케이블이 중앙 구멍을 통과할 수 있어야 합니다(직경 확인 필요). 경우에 따라 버스바 또는 절연 직경이 작은 소형 케이블이 필요할 수 있습니다.

  이 장치는 전원이 필요한 장치이므로, 적절한 전압과 전류 용량을 갖춘 전원 공급 장치와 설치(랙) 위치가 필요합니다.

  폐루프 방식으로 플럭스게이트 AC 전류 변압기 기술을 결합하면, 1차에 전류가 흐를 때 항상 2차에서 일정한 전류 출력이 발생합니다. 측정 중에는 전류 변압기를 분리해서는 안 됩니다. 안전을 위해 적절한 라벨 부착이나 설계 고려가 필요합니다.

  폐루프 센서는 전류 기반 출력을 제공하여 노이즈에 덜 민감합니다. 이는 열 드리프트를 보상하고 가장 정밀한 측정을 보장하는 고성능 전력 분석기(예: Yokogawa WT 시리즈)에 적합한 신호 유형입니다.

  2차 전류의 전체 출력(full-scale output)은 전력 분석기에 맞게 적절히 설정해야 합니다. 예를 들어, 280Arms 변압기에 대해 2000:1 비율을 사용하면 전체 출력은 140mA가 됩니다. 전력 분석기는 이에 맞는 낮은 전류 측정 범위를 가져야 합니다.

  입력 40A, 최소 전체 범위 500mA인 전력 분석기는 너무 큽니다. 보다 적합한 선택은 5A 범위와 최소 전체 범위 5mA를 갖춘 전력 분석기입니다.

  폐루프 센서 설계는 오프셋 드리프트에 덜 민감하지만, 전력 분석기의 제로 오프셋(nulling) 기능을 사용하면 오프셋 오류를 더욱 줄일 수 있습니다.

• 
  

• 
   
  

그림 17. WT1800E 정밀 전력 분석기 구성 예시

표 4. WT1800E 정밀 전력 분석기를 사용한 사례 2 구성 차트

케이블 길이 고려사항 

IT, IN 또는 CT 시리즈 전류 변압기의 케이블을 연장해야 할 경우, 전원선의 전압 강하와 변압기가 받는 전체 부하 저항을 고려해야 합니다.

• 전원 케이블에서의 전압 강하는 +15V 라인의 5% 미만이어야 합니다.
  전류 변압기 2차 측이 받는 전체 저항은 변압기 RM(부하 저항) 사양보다 낮아야 합니다. 이는 1차 전류와 저항의 관계 곡선으로, 여러 작동 온도를 포함합니다. 변압기에서 전력 분석기까지 신호가 전달되는 전체 케이블 길이의 저항과 전력 분석기의 내부 저항을 모두 고려하는 것이 중요합니다.
• 
  

예시 :

• IN 2000-s 전류 변압기 
• 5A 엘리먼트 장착된 WT1800E
• 최대 동작 전류 3000Apk

그림 18. IN/IT 변압기 케이블 연장

그림 19. WT5000 정밀 전력 분석기 및 IN 2000-s 사양 

5A 모듈의 사양에 따르면 내부 저항은 100mΩ입니다. IN 2000-S 사양에서는 3000A 피크에서 최대 부하 저항이 약 1Ω(@25℃)이며, 변환비는 2000:1(NS), 추가 전류 소비는 약 200mA(IC)로 표시되어 있습니다.

• 전원 케이블은 1차 전류 3000A 피크 또는 2차 전류 1A 피크(총 전원 소비 약 1.2A 피크)에서 전압 강하가 0.75V 미만이 되도록 설계해야 합니다.
  1차 전류 2000A 피크(2차 1A 피크)에서는, 전류 변압기에서 전력 분석기까지의 신호 케이블 전체 저항이 25℃ 기준으로 0.89Ω 미만이어야 합니다(1Ω – 0.11Ω).

전원 케이블의 와이어 종류와 차폐에 대한 권장 사항은 IST 전원 공급 장치 사용자 매뉴얼에 자세히 나와 있습니다. 장거리 배선의 경우, 전원 공급 장치에서 전력 분석기로 연결되는 신호선을 트위스트하여 노이즈 영향을 줄이되, 이로 인해 케이블 전체 길이가 증가한다는 점을 유념해야 합니다.
 

전력 측정을 위한 정확도 결합

전력 분석기의 정확도를 장치 사양에서 결정할 때, 가장 일반적인 표현은 측정값의 백분율과 범위의 백분율을 합한 형태로 나타냅니다. 또한 전류 변압기는 전류 크기와 오프셋 허용오차를 추가로 제공합니다. 아래 예시는 장비 사양을 사용하여 전력 분석기와 전류 변압기 시스템의 총 정확도를 계산하는 한 가지 방법을 보여줍니다.

예시 :

Power Analyzer	WT1800R
Current Transformer	CT200
Input Conditions	200V, 100A, PF = 1, effective power: 20kW
Range Settings	300V/500V (150kW effective range, internal current range 0.5A)
Current Transformer Rating	200A 1000:1 ratio (0.2A)
Power Analyzer Accuracy	0.05% of reading + 0.05% of range
Current Transformer Accuracy	0.05% of reading + 30μA

• 
• Figure 5. Fluxgate sensor.
  
  
  
• Figure 6. Fluxgate sensor without primary current.
  
  
• Figure 7. Fluxgate sensor with primary current. 
   

Errors

All of these technologies can have measurement errors attributed to factors such as linearity, offset, temperature, or noise.

• Errors in AC current transformers are can be a function of manufacturing quality or residual flux.
• Hall-effect sensors are vulnerable to errors arising from the necessity of sensing and amplifying very small voltages and the properties of the Hall sensing material (offset, temperature drift, noise).
• Rogowski coils are prone to positioning, droop/offset, and phase delay errors.
• Linearity error is a concern for any type of sensor, and is a function of the technology, construction, and temperature characteristics.
• Fluxgate sensors provide more robust measurement due to a time-based measurement (duty or spectral analysis), low magnetic offsets due to the cyclic excitation, and a low temperature drift.
   

Zero flux technique

To compensate for linearity errors, operate the sensing technology in a “zero flux” condition, where the magnetic field being measured by the sensor is essentially zero. This is accomplished through a compensation winding inside of the current transformer that generates an equal-yet-opposing magnetic field to that of the primary field. This winding is driven in a closed-loop circuit formed by the sensor (fluxgate or Hall) and associated amplification circuitry as shown in Figure 8. This allows the sensor to essentially operate around a zero sensing condition (a single point), minimizing any gain errors. Offset errors can further be eliminated by applying a zero offset or a “nulling function” in the sensing instrument that the current transformer is connected to, such as a data acquisition, oscilloscope, or power analyzer.
 

Figure 9. Closed-loop fluxgate zero flux CT. 

Frequency response

Current sensing technology and associated electronics have limited bandwidth. However, an advantage of the closedloop zero flux configuration is that at higher frequencies, the compensation winding acts as an AC current transformer. This significantly extends the bandwidth and reduces the response time of the transducer. Essentially, the zero flux (closed-loop) current transformer design incorporates multiple current sensing techniques (e.g., AC current transformer, Hall-effect, fluxgate). As a result, zero flux designs are capable of measuring AC, DC, and complex waveforms of any shape.

Figure 10. Frequency response of closed-loop design.

Figure 11. Multi-core closed-loop fluxgate design.

Output

Yet another advantage of the closed-loop design is that the output signal is current-based. This provides a more robust signal in high noise environments. It is also the preferred signal for power analyzers, which can directly measure current with high accuracy. When dealing with any current transformer, the output is considered a constant current source. This means as current flows through the primary conductor, the secondary must never be left as an open circuit. An open circuit essentially produces infinite resistance, by Ohm’s law V = I*R, and results in a very high voltage that damages the current transformer and presents a significant safety hazard. Design systems with caution so that the current transformer does not disconnect when performing a measurement.
 

High current power measurement configuration examples

Figure 12. Power analyzer with built-in power supply.

Figure 13. Power analyzer with external power supply kit.

Figure 14. Power analyzer with built-in power supply integrated in the element. 

Integration considerations

After selecting the appropriate current sensing product, the integration of the device must be carefully engineered, thoroughly evaluating all output types, accuracy, measurement range, and interconnections.
 

Example use cases

Case One

A manufacturer of UPS systems is engineering an instrumentation system to monitor and make measurements on six phases of AC voltage, current, power, and one DC phase (480Vrms, 75Arms). Power and harmonic monitoring is important. However, capturing distorted wave shapes during changeover events is critical. The instrumentation system is data acquisition-based and requires the ability to easily move to different installations.

Data acquisition systems generally consist of voltage signals and are typically not highly accurate when making power measurements, so it makes little sense to select a highly accurate current device. In this case, the engineer has selected a Hall-effect-based clamp-style sensor, which is valid for any type of wave shape (AC/DC).

Engineering Considerations

• The output voltages from Hall-effect clamps are often in mV/A, where the maximum output voltage is less than 1V. The data acquisition system should have a comparable fullscale input range. For example, utilizing a 10V input range would result in poor resolution measurement. Take into consideration the proper scaling for the instrument when using clamps that have multiple range switches (400A/40A), as changing range on the clamp requires a range change on the instrument.
• Hall-effect clamps require power, usually supplied by a small 9V or AA batteries, USB power, or a wall-style AC-to-DC plug.
• Many Hall-effect clamps have a BNC-style interconnection. The data acquisition system should have the same or an adapter, if banana jacks are used.
• Hall-effect is prone to offset drift. Because of this, the nulling (zero offset) function of the probe itself and/or the data acquisition should be used before making critical measurements.

Figure 15. Example configuration of a six-phase high-power monitoring system.

Table 2. Configuration chart for Case One using DL950 ScopeCorder.

Case Two

A manufacturer of inverter-based motor drives is engineering an instrumentation system for benchmarking power measurements on three phases of PWM-based AC voltage, current, power, and one DC input phase (800Vrms, 1100Arms). Waveforms are of interest. However, capturing the most accurate power measurements is most critical, as the efficiencies of new inverter designs are over 90%. The instrumentation system is power analyzer-based and must provide highly accurate power, energy, and harmonic measurements.

In this instance, the engineer has selected a fluxgate-based zero flux current transformer. The fluxgate is valid for any type of wave shape (AC/DC) and provides the highest accuracy solution for PWM application requiring high bandwidths. Power analyzers are highly accurate devices, and the most precise current measurement is required to keep errors to a minimum. A low-accuracy clamp or fixed-frequency current measurement device would not be a good selection.

Engineering Considerations

• Because this is a “donut style” design, the primary cable must be able to pass through the center aperture (check diameter). In some cases, a bus bar or smaller cable with smaller diameter insulation is necessary.
• This is a powered device and requires a power supply with the appropriate voltage and current capacities, along with a location for mounting (rack).
• Combining the fluxgate AC current transformer technologies in a closed-loop method, there is always a constant current output on the secondary when the primary has current flow. The current transformer cannot be disconnected when a measurement is being performed. Appropriate labels or design considerations should be made for safety and to avoid damage to the device.
• The closed-loop sensor provides a current-based output that is less susceptible to noise. This is the preferred signal type for a high-performance power analyzer (such as the Yokogawa WT series), that employs a unique shunt design that compensates for thermal drift and ensures the most precise measurement.
• Size the full-scale output of the secondary current appropriately in relation to the power analyzer. For example, a 2000:1 ratio for a 280Arms transformer results in a 140mA full-scale output. The power analyzer should have comparable low current measurement ranges.
• A power analyzer with a 40A input and a 500mA minimum full-scale range is too large. A better choice is a power analyzer with a 5A range and a 5mA minimum full-scale range.
• While closed-loop sensor designs are less prone to offset drift, the nulling (zero offset) function of the power analyzer can be used to further reduce offset error.
   
  

Table 3. Configuration chart for Case Two using a WT5000 Precision Power Analyzer.

Figure 17. WT1800E Precision Power Analyzer example configuration.

Table 4. Configuration chart for Case Two using a WT1800E Precision Power Analyzer. 

Cable Length Considerations

When it is necessary to lengthen the cables of the IT, IN, or CT series current transformers, the voltage drop in power supply lines and total burden resistance seen by the transformer needs to be considered.

• The voltage drop across the power supply cables must be <5% of the +15V lines.
• The total resistance seen by the secondary of the current transformer must be less than the transformers RM (burden resistance) specification. This is curve of primary current vs. resistance, with multiple operating temperatures. It is important to consider the resistance of the entire signal length from transformer to power analyzer, as well as the internal resistance of the power analyzer.

Example:

• IN 2000-s current transformer
• WT1800E with 5A element
• Maximum operating current 3000Apk

Figure 18. Lengthening IN/IT transformer cables.

Figure 19. WT5000 Precision Power Analyzer and IN 2000-s specifications.

The specifications for the 5A module state the internal resistance is 100 mΩhm. The IN 2000-S specifications show the maximum burden resistance at 3000Apk is approximately 1 Ω @ 25C, with a transformation ratio of 2000:1 (NS), and an overhead current consumption of about 200mA (IC).

• Size power supply cables to maintain <0.75V drop when operating at 3000Apk primary current or 1Apk of secondary current ~1.2Apk total supply current.
• At 2000Apk primary current (1Apk secondary) the total resistance of the signal cables from the current transformer to the power analyzer must be <0.89 Ω @ 25 (1Ω-0.11Ω).

Recommendations on wire types and shielding for the power supply cables are detailed in the IST power supply user manual. For long runs, twist the signal wires from the power supply to the power analyzer to reduce the influence of noise, though bear in mind this increases the total length of the wires.
 

Combining accuracies for power measurements

When determining power analyzer accuracy from unit specifications, the most common expression is given as a percentage of the reading plus a percentage of the range. Additionally, current transformers introduce a current magnitude and offset tolerance. The following example shows one method for calculating the total accuracy of a power analyzer and current transformer system using the equipment specifications.

Example:

Power Analyzer	WT1800R
Current Transformer	CT200
Input Conditions	200V, 100A, PF = 1, effective power: 20kW
Range Settings	300V/500V (150kW effective range, internal current range 0.5A)
Current Transformer Rating	200A 1000:1 ratio (0.2A)
Power Analyzer Accuracy	0.05% of reading + 0.05% of range
Current Transformer Accuracy	0.05% of reading + 30μA