AC 전기 기계식 미터의 움직임은 기본적으로 두 가지 방식으로 이루어집니다. DC 움직임 설계를 기반으로 하는 것과 AC 사용을 위해 특별히 설계된 것입니다.
영구 자석 이동 코일(PMMC) 미터 운동은 교류 에 직접 연결하면 제대로 작동하지 않습니다 . 왜냐하면 바늘 운동 방향이 AC의 각 반주기마다 바뀌기 때문입니다. (아래 그림)
영구 자석 모터와 마찬가지로 영구 자석 미터의 움직임은 인가된 전압의 극성(또는 전류의 방향이라고 생각할 수 있음)에 따라 동작이 결정되는 장치입니다.
이 D'Arsonval 미터 운동에 AC를 통과시키면 바늘이 쓸데없이 펄럭입니다.
D'Arsonval 설계와 같은 DC 스타일의 미터 동작을 사용하려면 교류를 DC로 정류 해야 합니다.
이것은 다이오드 라는 장치를 사용하여 가장 쉽게 달성할 수 있습니다 . 왜곡된(또는 정류된) 사인파에서 고조파 주파수를 생성하는 것을 보여주는 예시 회로에서 다이오드를 사용하는 것을 보았습니다. 다이오드가 어떻게 그리고 왜 작동하는지에 대한 자세한 내용은 설명하지 않고, 각각이 전류가 흐르도록 하는 일방통행 밸브처럼 작동한다는 것을 기억하세요.
각 다이오드 기호의 화살표는 허용 전류 흐름 방향을 가리킵니다.
브리지에 배치된 4개의 다이오드는 AC 사이클의 모든 부분에서 일정한 방향으로 미터 이동을 통해 AC를 조정하는 역할을 합니다.
이 정류된 AC 미터 운동을 통해 AC를 통과시키면 한 방향으로 구동됩니다.
실용적인 AC 미터 동작을 위한 또 다른 전략은 DC 유형의 본질적인 극성 민감성 없이 동작을 재설계하는 것입니다.
이는 영구 자석의 사용을 피하는 것을 의미합니다. 아마도 가장 간단한 설계는 비자성 철제 베인을 사용하여 스프링 장력에 반하여 바늘을 움직이는 것이며, 베인은 아래 그림과 같이 측정할 AC 양에 의해 활성화된 고정된 와이어 코일 쪽으로 끌립니다.
철제 베인 전기기계식 미터 운동.
공기 간격으로 분리된 두 금속판 사이의 정전기적 인력은 인가된 전압에 비례하는 바늘을 움직이는 힘을 생성하는 대체 메커니즘입니다.
이것은 DC에서와 마찬가지로 AC에서도 잘 작동합니다. 아니, 마찬가지로 형편없습니다! 관련된 힘은 매우 작고, 전원이 공급된 코일과 철제 베인 사이의 자기적 인력보다 훨씬 작으며, 따라서 이러한 "정전기" 미터 움직임은 물리적 움직임에 의해 깨지기 쉽고 쉽게 방해받는 경향이 있습니다.
하지만 일부 고전압 AC 애플리케이션에서는 정전기 운동이 우아한 기술입니다.
다른 것이 없더라도 이 기술은 매우 높은 입력 임피던스라는 장점을 가지고 있어 테스트 중인 회로에서 전류를 끌어올 필요가 없습니다. 또한 정전기 미터 움직임은 범위 저항기 나 다른 외부 장치가 필요 없이 매우 높은 전압을 측정할 수 있습니다.
민감한 미터의 움직임을 AC 전압계 로 작동하도록 다시 범위 지정해야 하는 경우 DC 미터 설계에서와 마찬가지로 직렬로 연결된 "증배기" 저항기 및/또는 저항성 전압 분배기를 사용할 수 있습니다. (아래 그림)
증배기 저항기(a) 또는 저항 분배기(b)는 기본 미터 이동 범위를 조절합니다.
하지만 저항기 대신 커패시터를 사용하여 전압계 분배기 회로를 만들 수 있습니다 . 이 전략은 비소모적(실제 전력 소모 없음, 열 생성 없음)이라는 장점이 있습니다.
용량성 분배기가 있는 AC 전압계.
미터의 움직임이 정전기적이고 본질적으로 용량성인 경우, 단일 "증배기" 커패시터를 직렬로 연결하여 더 넓은 전압 측정 범위를 제공할 수 있습니다. 이는 직렬로 연결된 증배기 저항기가 가동 코일(본질적으로 저항성) 미터 움직임에 더 넓은 전압 범위를 제공하는 것과 같습니다.
정전기식 미터 운동은 기본 미터 운동의 규모를 증폭하기 위해 용량성 증폭기를 사용할 수 있습니다.
DC 계측 장 에서 언급된 음극선관(CRT)은 AC 전압을 측정하는 데 이상적인데, 특히 전자빔이 튜브 화면을 좌우로 휩쓸고 지나가는 동안 측정된 AC 전압이 빔을 위아래로 구동하는 경우에 적합합니다.
이러한 장치를 사용하면 단순히 크기를 측정하는 것이 아니라 AC 파형의 그래픽 표현을 쉽게 얻을 수 있습니다. 그러나 CRT는 무게, 크기, 상당한 전력 소비, 취약성(진공 유리로 만들어짐)이라는 단점이 있습니다.
이러한 이유로 전기기계식 AC 미터 동작은 아직도 실용적인 용도로 사용되고 있습니다.
이러한 미터 이동 기술의 장단점 중 일부가 이미 논의되었지만 AC 미터링 계측기의 설계자와 사용자가 알아야 할 또 다른 매우 중요한 요소가 있습니다. 바로 RMS 측정 문제입니다 .
우리가 이미 알고 있듯이, AC 측정은 종종 DC 및 다양한 모양의 다른 AC 파형과의 의미 있는 비교를 위해 RMS ( Root - Mean - Square )라고 하는 DC 전력 등가의 척도로 표현됩니다. 지금까지 논의된 미터 이동 기술 중 어느 것도 본질적으로 AC 양의 RMS 값을 측정하지 않습니다.
기계적 바늘의 움직임에 의존하는 미터의 움직임("정류된" D'Arsonval, 철제 베인 및 정전기)은 모두 순간적인 값을 기계적으로 평균화하여 파형의 전체 평균값을 만드는 경향이 있습니다.
이 평균값은 반드시 RMS와 같지는 않지만, 많은 경우 그렇게 오해받습니다. 평균값과 RMS값은 다음 세 가지 일반적인 파형 모양에 대해 서로 비교됩니다.
사인파, 사각파, 삼각파의 RMS, 평균, 피크 대 피크 값입니다.
RMS는 대부분의 사람들이 계측기로 얻고 싶어하는 측정 유형인 듯하고, 전기 기계식 미터 움직임은 자연스럽게 RMS가 아닌 평균 측정을 제공하므로 AC 미터 설계자는 어떻게 해야 할까요? 물론 속임수입니다!
일반적으로 측정할 파형 모양은 사인(특히 전력 시스템의 경우 가장 일반적)이라고 가정하고, 미터 이동 규모는 적절한 곱셈 계수에 따라 변경됩니다.
사인파의 경우 RMS는 피크 값의 0.707배이고 평균은 피크의 0.637배이므로 한 수치를 다른 수치로 나누면 평균-RMS 변환 계수 1.109를 얻을 수 있습니다.
다시 말해, 미터의 움직임은 특별한 조정 없이 일반적으로(자연스럽게) 나타낼 것보다 약 1.11배 더 높게 나타내도록 보정됩니다. 이 "속임수"는 미터가 순수 사인파 소스를 측정하는 데 사용될 때만 잘 작동한다는 점을 강조해야 합니다.
삼각파의 경우 RMS와 평균의 비율이 사인파와 같지 않다는 점에 유의하세요.
사각파 의 경우 RMS 값과 평균 값은 동일합니다! 순수 사인파에서 RMS 전압 또는 전류를 정확하게 읽도록 교정된 AC 미터는 완벽한 사인파가 아닌 다른 것의 크기를 표시하는 동안 적절한 값을 제공 하지 않습니다 .
여기에는 삼각파, 사각파 또는 모든 종류의 왜곡된 사인파가 포함됩니다. 고조파가 대규모 AC 전력 시스템에서 항상 존재하는 현상이 되면서 정확한 RMS 측정 문제는 사소한 문제가 아닙니다.
통찰력 있는 독자라면 제가 RMS/평균 논의에서 CRT "이동"을 생략했다는 것을 알아차릴 것입니다. 그 이유는 실질적으로 무게가 없는 전자 빔 "이동"을 가진 CRT가 평균 또는 RMS가 아닌 AC 파형의 피크(또는 원한다면 피크 대 피크)를 표시하기 때문입니다.
그래도 비슷한 문제가 발생합니다. 파형의 RMS 값을 어떻게 결정할까요? 피크와 RMS 간의 변환 계수는 파형이 알려진 모양 범주에 깔끔하게 속하는 한 유지됩니다(사인, 삼각형, 사각형은 여기에 제공된 피크/RMS/평균 변환 계수가 있는 유일한 예입니다!).
한 가지 답은 RMS의 정의, 즉 저항 부하에 전원을 공급할 때의 AC 전압/전류의 효과적인 발열량에 따라 미터 이동을 설계하는 것입니다. 측정할 AC 소스가 알려진 값의 저항기에 연결되어 있고, 그 저항기의 열 출력이 열전대와 같은 장치로 측정된다고 가정합니다 .
이는 어떠한 변환 계수보다 RMS의 훨씬 더 직접적인 측정 수단을 제공할 것입니다. 왜냐하면 이는 어떠한 파형 모양과도 작동하기 때문입니다.
직독식 열 RMS 전압계는 모든 파형 형태를 수용합니다.
위에 표시된 장치는 다소 조잡하고 고유한 엔지니어링 문제가 있을 수 있지만, 설명된 개념은 매우 타당합니다. 저항기는 AC 전압 또는 전류량을 열량(열)으로 변환하여 실시간으로 값을 효과적으로 제곱합니다.
시스템의 질량은 열 관성의 원리에 따라 이러한 값의 평균을 구하고, 미터 눈금 자체가 열 측정의 제곱근을 기반으로 표시를 제공하도록 교정됩니다. 즉, 하나의 장치에서 완벽한 제곱 평균 제곱근 표시가 가능해진 것입니다!
실제로, 한 대형 계측기 제조업체는 이 기술을 "진정한 RMS" 기능을 갖춘 고급형 핸드헬드 전자 멀티미터 제품군에 구현했습니다.
다양한 전체 작동 범위에 대한 AC 전압계와 전류계를 교정하는 것은 DC 계측기와 거의 같습니다. 직렬 "배율기" 저항은 전압계 동작에 더 높은 범위를 제공하는 데 사용되고 병렬 "션트" 저항은 전류계 동작이 자연스러운 범위를 넘어서는 전류를 측정할 수 있도록 하는 데 사용됩니다.
하지만 우리는 DC에서처럼 이러한 기술에 국한되지 않습니다. AC에서 변압기를 사용할 수 있기 때문에 미터 범위는 저항이 아닌 전자기적으로 "상승" 또는 "하강"될 수 있으며, 때로는 저항이 실질적으로 허용하는 것보다 훨씬 더 깊어질 수 있습니다.
변압기(PT)와 전류 변압기(CT)는 1차 권선과 2차 권선 사이의 변환 비율을 매우 정밀하게 생성하기 위해 제조된 정밀 계측 장치입니다.
이를 통해 작고 간단한 AC 미터 움직임으로 전력 시스템에서 매우 높은 전압과 전류를 정확하고 완벽하게 전기적으로 절연하여 표시할 수 있습니다(증폭기 및 션트 저항기에서는 절대 할 수 없는 일):
(CT) 전류 변압기는 전류를 줄입니다. (PT) 전위 변압기는 전압을 줄입니다.
여기서는 3상 AC 시스템의 전압 및 전류 미터 패널을 보여줍니다. 패널 후면에서 3개의 "도넛" 전류 변압기(CT)를 볼 수 있습니다. 패널 전면에 있는 3개의 AC 전류계(각각 정격 5 암페어 전체 규모 편향)는 CT를 통과하는 각 도체를 통과하는 전류를 나타냅니다.
이 패널이 서비스에서 제거되었으므로 더 이상 CT "도넛" 중앙을 통과하는 전류 전달 도체가 없습니다 .
토로이드 전류 변압기는 최대 5A의 AC 전류계에 적용하기 위해 높은 전류 레벨을 낮춥니다.
계기 변압기의 비용(그리고 종종 큰 크기) 때문에 고전압 및 고전류 이외의 다른 용도의 AC 미터를 스케일링하는 데 사용되지 않습니다. 밀리암페어 또는 마이크로암페어 이동을 120볼트 또는 5암페어 범위로 스케일링하려면 DC와 마찬가지로 일반적인 정밀 저항(증배기 및 션트)을 사용합니다.
검토:
- 편광(DC) 계측기는 AC 양을 표시하기 위해 다이오드 라는 장치를 사용해야 합니다.
- 전자기적이든 정전기적이든 전기 기계식 미터 움직임은 자연스럽게 측정된 AC 양의 평균값 을 제공합니다. 이러한 계측기는 RMS 값을 나타내도록 범위를 지정할 수 있지만 AC 파형의 모양이 미리 정확히 알려진 경우에만 가능합니다!
- 소위 말하는 True RMS 미터는 다양한 기술을 사용해 AC 파형의 실제 RMS(왜곡된 평균이나 피크가 아님)를 나타내는 표시를 제공합니다.