AC 전압계 및 전류계

AC 전기기계식 미터 무브먼트는 DC 무브먼트 설계를 기반으로 하는 것과 AC 사용을 위해 특별히 설계된 두 가지 기본 배열로 제공됩니다.

영구 자석 이동 코일(PMMC) 미터 이동은 AC의 각 반주기마다 바늘 이동 방향이 변경되기 때문에 교류에 직접 연결된 경우 올바르게 작동하지 않습니다. (아래 그림)

영구 자석 모터와 같은 영구 자석 미터의 움직임은 인가된 전압의 극성에 따라 움직임이 달라지는 장치입니다(또는 전류 방향으로 생각할 수 있음).

이 D'Arsonval 미터 이동을 통해 AC를 통과하면 바늘이 쓸데없이 흔들리게 됩니다.

D'Arsonval 디자인과 같은 DC 스타일의 미터 무브먼트를 사용하려면 교류를 정류해야 합니다. DC로.

이것은 다이오드라는 장치를 사용하여 가장 쉽게 수행할 수 있습니다. . 우리는 왜곡된(또는 정류된) 사인파에서 고조파 주파수 생성을 보여주는 예제 회로에 사용된 다이오드를 보았습니다. 다이오드가 작동하는 방식과 이유에 대해 자세히 설명하지 않고 각각이 전류가 흐르는 단방향 밸브처럼 작동한다는 점을 기억하십시오.

각 다이오드 기호의 화살촉은 허용되는 전류 흐름 방향을 가리킵니다.

브리지에 배열된 4개의 다이오드는 AC 주기의 모든 부분에서 일정한 방향으로 미터 이동을 통해 AC를 조정하는 역할을 합니다.

이 수정된 AC 미터 이동을 통해 AC를 통과하면 한 방향으로 이동합니다.

실용적인 AC 미터 무브먼트를 위한 또 다른 전략은 DC 유형의 고유한 극성 감도 없이 무브먼트를 재설계하는 것입니다.

이것은 영구 자석의 사용을 피하는 것을 의미합니다. 아마도 가장 간단한 디자인은 자화되지 않은 철제 베인을 사용하여 스프링 장력에 대항하여 바늘을 움직이는 것입니다. 이 베인은 아래 그림과 같이 측정할 AC 양에 의해 활성화된 고정된 와이어 코일 쪽으로 끌립니다.

Iron-vane 전기기계식 미터 이동

공극으로 분리된 두 금속판 사이의 정전기적 인력은 인가된 전압에 비례하여 바늘을 움직이는 힘을 생성하는 대체 메커니즘입니다.

이것은 DC와 마찬가지로 AC에서도 잘 작동합니다. 관련된 힘은 에너지가 공급된 코일과 철제 베인 사이의 자기 인력보다 훨씬 작고 매우 작기 때문에 이러한 "정전기적" 미터 움직임은 깨지기 쉽고 물리적 움직임에 의해 쉽게 방해받는 경향이 있습니다.

그러나 일부 고전압 AC 애플리케이션의 경우 정전기 운동은 우아한 기술입니다.

다른 것이 아니라면 이 기술은 매우 높은 입력 임피던스의 장점을 가지고 있습니다. 즉, 테스트 중인 회로에서 전류를 끌어올 필요가 없습니다. 또한 정전기 미터의 움직임은 범위 저항이나 기타 외부 장치 없이도 매우 높은 전압을 측정할 수 있습니다.

AC 전압계로 기능하기 위해 민감한 미터기 움직임의 범위를 다시 지정해야 하는 경우 DC 미터기 설계에서와 같이 직렬 연결된 "승수" 저항기 및/또는 저항성 전압 분배기를 사용할 수 있습니다. (아래 그림)

승수 저항(a) 또는 저항 분배기(b)는 기본 미터 이동 범위를 조정합니다.

그러나 전압계 분배기 회로를 만들기 위해 저항 대신 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이 전략은 분산되지 않는다는 장점이 있습니다(실제 전력 소비 및 열 발생 없음).

용량 분배기가 있는 AC 전압계.

미터 이동이 정전기이고 본질적으로 용량성이 있는 경우 직렬 연결된 증배기 저항이 움직이는 코일(본질적으로 저항성 ) 미터 이동 더 큰 전압 범위:

정전기 미터 이동은 정전식 승수를 사용하여 기본 미터 이동의 규모를 곱할 수 있습니다.

DC 측정 장에서 언급한 CRT(Cathode Ray Tube)는 AC 전압을 측정하는 데 이상적으로 적합합니다. 특히 측정된 AC 전압이 빔을 위아래로 구동하는 동안 전자빔이 튜브의 스크린을 가로질러 좌우로 휩쓸리는 경우에 적합합니다. .

이러한 장치를 사용하면 단순한 크기 측정이 아닌 AC 파형의 그래픽 표현을 쉽게 얻을 수 있습니다. 그러나 CRT는 무게, 크기, 상당한 전력 소비 및 취약성(배기된 유리로 만들어짐)의 단점이 있습니다.

이러한 이유로 전기 기계식 AC 미터 무브먼트는 여전히 실제 사용 위치에 있습니다.

이러한 계량기 이동 기술의 장점과 단점 중 일부는 이미 논의되었지만 AC 계량 장비의 설계자와 사용자가 인식해야 하는 결정적으로 중요한 또 다른 요소가 있습니다. RMS 측정의 문제입니다.

이미 알고 있듯이 AC 측정은 종종 RMS라고 하는 DC 전력 등가 척도로 캐스팅됩니다. (R oot-M ean-S quare) DC 및 다양한 형태의 다른 AC 파형과의 의미 있는 비교를 위해. 지금까지 논의된 미터 이동 기술 중 어떤 것도 본질적으로 AC 수량의 RMS 값을 측정하지 않습니다.

기계적 바늘의 움직임에 의존하는 미터 움직임("정류된" D'Arsonval, iron-vane 및 정전기)은 모두 순간 값을 파형의 전체 평균 값으로 기계적으로 평균화하는 경향이 있습니다.

이 평균값은 RMS와 같을 필요는 없지만 여러 번 그렇게 착각합니다. 평균 및 RMS 값은 다음과 같은 세 가지 일반적인 파형 모양에 대해 서로에 대해 평가됩니다.

사인파, 사각파 및 삼각파에 대한 RMS, 평균 및 피크 대 피크 값.

RMS는 대부분의 사람들이 기기로 얻는 데 관심이 있는 측정 유형인 것으로 보이며 전기 기계식 미터 움직임은 자연스럽게 평균을 전달합니다. RMS가 아닌 측정, AC 미터 설계자는 무엇을 해야 합니까? 물론 속임수입니다!

일반적으로 측정할 파형 모양이 사인(특히 전력 시스템의 경우 가장 일반적임)이 될 것이라고 가정한 다음 미터 이동 스케일이 적절한 곱셈 계수로 변경됩니다.

사인파의 경우 RMS는 피크 값의 0.707배인 반면 Average는 피크 값의 0.637배이므로 한 수치를 다른 수치로 나누어 평균에서 RMS로의 변환 계수 1.109를 얻을 수 있습니다.

즉, 미터의 움직임은 특별한 조정 없이 일반적으로(자연스럽게) 표시되는 것보다 약 1.11배 더 높게 표시되도록 보정됩니다. 이 "치트"는 미터를 사용하여 순수한 사인파 소스를 측정할 때만 잘 작동한다는 점을 강조해야 합니다.

삼각파의 경우 RMS와 평균 간의 비율은 사인파의 경우와 같지 않습니다.

구형파의 경우 RMS와 평균 값이 동일합니다! 순수한 사인파의 RMS 전압 또는 전류를 정확하게 읽도록 보정된 AC 미터는 않습니다. 완전한 사인파 이외의 크기를 나타내면서 적절한 값을 지정합니다.

여기에는 삼각파, 구형파 또는 모든 종류의 왜곡된 사인파가 포함됩니다. 고조파가 대규모 AC 전원 시스템에서 항상 존재하는 현상이 됨에 따라 정확한 RMS 측정 문제는 결코 작은 일이 아닙니다.

예리한 독자는 내가 RMS/평균 토론에서 CRT "움직임"을 생략했음을 알 수 있습니다. 이는 실질적으로 무중력 전자빔 "움직임"이 있는 CRT가 Average 또는 RMS가 아닌 AC 파형의 Peak(또는 원하는 경우 Peak-to-Peak)를 표시하기 때문입니다.

여전히 유사한 문제가 발생합니다. 파형의 RMS 값을 어떻게 결정합니까? 피크와 RMS 간의 변환 계수는 파형이 알려진 범주의 모양으로 깔끔하게 떨어지는 한 유지됩니다(사인, 삼각형 및 정사각형은 여기에 제공된 피크/RMS/평균 변환 계수가 있는 유일한 예입니다!).

한 가지 답은 저항 부하에 전력을 공급할 때 AC 전압/전류의 유효 발열량인 RMS의 정의를 중심으로 미터 이동을 설계하는 것입니다. 측정할 AC 소스가 알려진 값의 저항에 연결되고 해당 저항의 열 출력이 열전대와 같은 장치로 측정된다고 가정합니다.

이것은 어떤 변환 계수보다 훨씬 더 직접적인 RMS 측정 수단을 제공할 것입니다. 어떤 파형 모양에서도 작동하기 때문입니다.

직접 판독 열 RMS 전압계는 모든 파형을 수용합니다.

위에 표시된 장치는 다소 투박하고 고유한 엔지니어링 문제로 인해 어려움을 겪을 수 있지만 그림에 표시된 개념은 매우 건전합니다. 저항기는 AC 전압 또는 전류량을 열(열)량으로 변환하여 실시간으로 값을 효과적으로 제곱합니다.

시스템의 질량은 열 관성의 원리에 따라 이러한 값의 평균을 내기 위해 작동하고, 미터 스케일 자체는 열 측정의 제곱근을 기반으로 표시를 제공하도록 보정됩니다. 하나의 장치에서 완벽한 제곱 평균 제곱근 표시!

사실, 한 주요 기기 제조업체는 "true-RMS" 기능을 위해 고급 핸드헬드 전자 멀티미터 라인에 이 기술을 구현했습니다.

다양한 전체 범위 작동 범위에 대해 AC 전압계 및 전류계를 교정하는 것은 DC 계측기와 거의 동일합니다. 직렬 "승수" 저항은 전압계 움직임에 더 높은 범위를 제공하는 데 사용되며 병렬 "분로" 저항은 전류계 움직임을 측정하는 데 사용됩니다. 자연 범위를 벗어난 전류.

그러나 우리는 DC에서와 같이 이러한 기술에 국한되지 않습니다. AC와 함께 변압기를 사용할 수 있기 때문에 미터 범위는 저항적으로 "증압" 또는 "강압"하는 대신 전자기적으로 저항이 실제로 허용하는 것보다 훨씬 더 높을 수 있습니다. 를 위해.

PT(Potential Transformers) 및 CT(Current Transformers)는 1차 권선과 2차 권선 간의 매우 정확한 변환 비율을 생성하도록 제조된 정밀 기기 장치입니다.

이를 통해 정확하고 완전한 전기 절연을 통해 전력 시스템의 극도로 높은 전압과 전류를 표시하기 위해 작고 간단한 AC 미터 이동을 허용할 수 있습니다(승산기 및 션트 저항기는 절대 할 수 없는 것).

(CT) 변류기는 전류를 축소합니다. (PT) 잠재적인 변압기가 전압을 낮춥니다.

여기에 표시된 것은 3상 AC 시스템의 전압 및 전류 미터 패널입니다. 3개의 "도넛형" 변류기(CT)는 패널 후면에서 볼 수 있습니다. 패널 전면에 있는 3개의 AC 전류계(각각 최대 5A 정격)는 CT를 통과하는 각 도체를 통과하는 전류를 나타냅니다.

이 패널이 서비스에서 제거되었으므로 더 이상 CT "도넛"의 중심을 통과하는 전류 전달 도체가 없습니다.

토로이달 변류기는 5A 전체 AC 전류계에 적용하기 위해 고전류 레벨을 축소합니다.

계측기 변압기는 비용이 많이 들기 때문에(종종 큰 크기) 고전압 및 고전류 이외의 애플리케이션용으로 AC 미터를 확장하는 데 사용되지 않습니다. 밀리암페어 또는 마이크로암페어 동작을 120볼트 또는 5암페어 범위로 확장하기 위해 DC와 마찬가지로 일반 정밀 저항기(승수 및 션트)가 사용됩니다.

검토:

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극성(DC) 미터 이동은 다이오드라는 장치를 사용해야 합니다. AC 수량을 표시할 수 있습니다.

전자기적이든 정전기적이든 전자기계식 미터의 움직임은 자연스럽게 평균 측정된 AC 양의 값. 이 계측기는 RMS 값을 나타내기 위해 범위를 지정할 수 있지만 AC 파형의 모양을 미리 정확히 알고 있는 경우에만 가능합니다!

소위 진정한 RMS 미터는 AC 파형의 실제 RMS(왜곡된 평균 또는 피크가 아닌)를 나타내는 표시를 제공하기 위해 다른 기술을 사용합니다.