AC 회로 정확한 전력 측정: 전력계에서 홀 효과 센서까지

위상 천이 때문에 단순히 전압과 전류 읽기를 곱하는 것이 실제 전력을 반영하지 않으므로, AC 회로에서 전력 측정은 DC보다 본질적으로 더 복잡합니다.

필요한 것은 순간 전압과 전류의 곱을 결정할 수 있는 기기입니다. 고전적인 전력계(electrodynamometer)는 정지 코일과 이동 코일로 이 작업을 탁월하게 수행합니다.

3상 전력의 경우 두 전력계 무브먼트를 공통 샤프트에 결합하여 단일 포인터가 미터 눈금에 총 전력을 표시하게 할 수 있습니다. 이 구성은 비용이 많이 들고 복잡하지만 신뢰할 수 있는 솔루션으로 남아 있습니다.

홀 효과 (Hall Effect)

기계적 포인터 대신 실전력에 비례하는 전기적 신호를 생성하는 전자식 전력 계측의 혁신적 접근법은 홀 효과에 기반합니다.

홀 효과는 1879년 E. H. Hall이 발견한 것으로, 수직 자기장이 인가될 때 전류가 흐르는 도체 양단에 전압이 생성되는 현상입니다:

홀 전압은 전류와 자기장 강도에 비례

평평한 직사각형 도체 양단에 생성되는 전압은 전류 크기와 자기장 강도 모두에 정비례합니다. 즉, 이 두 변수의 곱입니다. 홀 전압 크기는 도체 재료에도 의존합니다.

특수 설계된 반도체 재료가 금속보다 더 강한 홀 전압을 생성하므로, 현대 홀 효과 소자는 이러한 재료로 제작됩니다.

AC 전류를 도체에 흐르게 하고 같은 AC 전력 회로로 활성화된 코일로 자기장을 생성하면, 홀 전압은 전류와 전압의 순간적 곱, 즉 실전력에 비례하게 됩니다.

홀 효과 센서에 움직이는 부품이 없으므로 순간 전력 측정을 높은 정확도로 제공할 수 있습니다.

게다가 홀 전압은 DC 신호입니다. 홀 전압 극성은 자기장 극성과 전류 방향 모두에 의존합니다. AC 반주기 동안 둘 다 반전하면 출력 극성은 변하지 않습니다.

전압과 전류가 90° 위상 차이(영 역률)일 때, 전류와 자기장 피크가 결코 일치하지 않아 해당 시점에 홀 출력이 0이 됩니다. 이는 순수 반응성 부하에 실전력이 전달되지 않음을 반영합니다.

이 지점 사이에서 홀 전압은 양수와 음수 값 사이를 진동하며 반응성 부하와의 순간적 에너지 교환을 나타냅니다. 전체 사이클에 걸친 순 DC 출력은 0으로, 실전력이 없음을 나타냅니다.

위상 천이가 90° 미만이면 홀 전압은 비대칭적으로 진동합니다(양수가 음수보다 김). 따라서 평균(DC) 성분이 0이 아닙니다. 로우패스 필터로 이 DC 성분을 추출하면 감도 높은 DC 계기 무브먼트에 표시할 수 있습니다.

많은 사용자는 순간 측정보다는 시간에 따른 전력 적산을 선호합니다. 필터링된 DC 신호를 적분하면 총 에너지 소비를 제공하며, 일반적으로 줄 또는 더 흔하게 와트시로 표현됩니다.

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