[32호]측정/센서 필수 길라잡이 6.전압, 전류, 전력

 6.  전압, 전류, 전력

전력을 측정하는 이유는 여러 가지가 있습니다. 여러분들은 스마트 그리드에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 스마트 그리드는 생성되고 있는 전기를 보다 더 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 연구하기 위해 엄청난 양의 자본이 투입되고 있는 부분 중 하나입니다. 효율성을 실현하기 위해서는 모니터링부터 시작하며, 전력의 생성부터 소모가 이루어지는 망을 모니터링해야 합니다.

회전 기계의 온도와 진동의 모니터링은 일반적으로 이루어지고 있지만, 머신이 상태가 어떤지 더 잘 이해하기 위해서는 전압, 전류, 전력이라는 3가지 요소를 추가적으로 활용할 수 있습니다. 펌프, 프레스, 컴프레셔 또는 기타 전기 장비의 일부가 동일한 작업을 수행하는 상황에서 시간에 따라 더 많은 전류를 도출한다면, 머신에 유지보수가 필요하다는 의미일 것입니다.

세 번째 어플리케이션은 어플리케이션 테스트입니다. 냉장고나 오븐은 대량의 전기를 소모하는 기기가 아닌 것 같습니다. 하지만 세상 모든 사람들이 이 기기들을 가지고 있기 때문에 효율성을 조금만 증진하여도 엄청난 효과를 거둘 수 있습니다.
이번 호에서 다룰 전력 측정은 이러한 어플리케이션에 기본적으로 모두 동일하게 적용됩니다.

Facilities/Utilities	Machine Health	White Goods Testing

전력과 에너지를 다룰 때 모호할 수 있는 용어와 단위들이 있습니다. 전력에 대해 말할 때 많은 사람들이 생각하는 부분에 대해 알아보겠습니다.

“전기 미터기”는 대부분 익숙할 것입니다. 하지만 이 미터기가 실제로 무엇을 측정할까요? 이 미터기는 사용한 에너지 양을 전기 업체에 알려줄 목적으로 제작되었습니다. 여기서 중요한 것은 이 미터기가 전력이 아닌 에너지 양을 측정한다는 것입니다. 에너지는 시간에 따른 가용전력을 뜻합니다. 한 예로, 헤어드라이어를 살펴보겠습니다. 1500 와트 헤어드라이어는 이론적으로 1500 와트의 전력을 사용합니다. 이 헤어드라이어를 1시간 동안 계속 사용하여 1500 Whr 또는 1.5 kWhr의 에너지를 사용했다면 전기 업체는 약 8-15센트의 요금을 부과할 것입니다 (미국 기준).

에너지는 와트시로 측정되고, 전력은 와트로 측정됩니다. 그렇다면 전력은 무엇이고 어떻게 측정할까요?

전력은 직접 측정할 수 없지만, 두 개의 요소를 이용하면 계산할 수 있습니다. 전력을 측정하기 위해서는 이 두 요소를 개별적으로 측정해야 합니다. 전력은 입자의 전압 또는 전위를 전하의 “흐름 속도” 즉, 전류 (암페어로 측정)와 조합한 것입니다.

전기는 볼 수도 없고 만질 수도 없기 때문에 설명이 쉽지 않습니다. 그래서 이 전기를 보다 쉽게 설명하고자 기계/물리적 비유를 들어보겠습니다. 전기를 간단하게 비유할 수 있는 것은 물입니다. 전기를 물에 대입해보면, 전류는 물이 흐르는 속도이고 전압은 물이 흐를 수 있게 하는 압력입니다. 고압의 물은 철을 자를 수 있고, 천천히 흐르는 6인치 높이의 물은 도로 위의 자동차를 밀어낼 수 있습니다. 전기 역시 마찬가지입니다. 전기도 양이 많으면 더 많은 것을 해낼 수 있습니다. 전기가 생성되어 소모되는 방법을 보면 그 이유를 알 수 있습니다.

측정을 진행하기 위해 알아야 할 몇 가지 계측 고려사항에 대해 빠르게 알아보겠습니다. 동시 샘플링, 고분해능, 앨리어싱 제거 필터는 전력 측정에 상당한 효과를 줄 수 있는 세 가지 요소이며 전력을 측정하기 위해 계측기를 선택할 때 알아야 할 중요한 요소입니다.

프레젠테이션 시작에서 예로 다루었던 세 가지 어플리케이션의 전력은 교류를 나타내는 AC 전력입니다. 이 설정에서 전류 흐름 방향은 초당 몇 번을 순환합니다. 미국에서는 초당 60Hz 또는 60번입니다. 이 수치는 회전 장비의 생성, 위치 및 사용한 자석 개수에 따라 결정됩니다.

위의 이미지에서 전압 웨이브폼은 녹색으로 생성되고 전류 웨이브폼은 빨간색으로 생성되는 것을 확인할 수 있습니다. 전류 웨이브폼은 망에 연결된 부하의 결과이며 가해진 부하의 유형과 수에 따라 변하게 됩니다. 전력을 측정하기 위해서는 전압 웨이브폼과 전류 웨이브폼간의 동기화 측정을 진행해야 하며 이 둘간의 위상 변화를 측정할 수 있습니다. 이 측정은 효율성 연산을 수행할 때 더 중요합니다. 동기화 계측에는 채널당 하나의 ADC가 있기 때문에 V 및 I 동시 측정을 제공합니다.

측정된 신호의 분해능은 디바이스가 감지할 수 있는 아주 작은 변화를 나타냅니다. 아날로그 신호를 디지털로 변환하면 유한한 전압 레벨 세트와 함께 신호를 표현합니다. 아날로그 신호를 표현하기 위해 사용 가능한 전압 레벨의 개수는 DAQ 시스템의 ADC 분해능에 달려있습니다.

분해능은 데이터 수집 계측기의 속성으로서 변경이 불가합니다. 분해능은 비트로 측정되며, 디지털 표현 전압 수준에 얼마나 많은 비트가 사용 가능한지를 뜻합니다. 표현할 수 있는 전압 레벨 수를 파악하기 위해서는 비트 수의 전력에 2를 올립니다. 3비트 디바이스에서 예를 들면, 세 번째 전력은 8이므로 8개의 다른 전압 레벨만 표현할 수 있습니다.

차트를 보면, 이론상 3비트 데이터 수집 계측기는 10V 범위로 1.25V의 변화만을 감지할 수 있습니다. 다른 대안으로는 16비트 데이터 수집 보드로 수집한 동일한 웨이브폼을 확인할 수 있습니다. 이 웨이브폼은 아날로그 형태의 실제 사인파처럼 보입니다. 이 사인파를 줌인하여 살펴보면 계단 형태가 있는 것을 알 수 있지만, 분해능이 더 높기 때문에 계단이 더 작습니다.

전력 측정에서는 감지하고자 하는 변화가 얼마나 작은지에 따라 분해능이 중요합니다. 최소 전력은 120/240/480이 될 수 있고 아주 작은 변화도 감지하고자 한다면 더 높은 분해능의 컨버터가 필요합니다.

Shannon 샘플링 이론에 따르면, 분석할 수 있는 가장 높은 주파수(나이퀴스트 주파수: fN)는 샘플링 주파수입니다. fN보다 큰 아날로그 주파수는 샘플링 후 0과 fN 사이의 주파수로 나타납니다. 이런 주파수를 “앨리어스” 주파수라고 합니다. 디지털(샘플된) 도메인에서 0과 fN 사이에 놓인 주파수의 앨러어스 주파수를 파악할 수 있는 방법은 없습니다. 따라서, 이러한 앨리어스 주파수는 A/D 컨버터가 샘플링하기 전에 용량성 필터로 아날로그 신호에서 제거해야 합니다.

생각했던 것보다 훨씬 복잡해 보일 수 있는데요. 전력의 가장 기본이라고 할 수 있는 전압 및 전류 측정에서 시작했기 때문에 그렇습니다. 많은 사람들이 전압 측정을 생각할 때 전압과 전류를 측정할 수 있는 DMM을 생각합니다. 와트미터와 같은 일부 디바이스들 역시 전력을 와트로 측정할 수 있습니다. 이런 디바이스들에는 내부에 칩이 있어 연산을 수행하지만 앞에서 언급했듯이 V와 I의 측정으로 시작합니다. 사실상, 위와 같은 디지털 디스플레이 디바이스는 AC 전력/전압/전류에 대한 RMS 값을 보여줍니다. 디스플레이에 나타나는 연산 값은 AC 전력을 수량화하는데 사용하며, 콘센트에서 이루어지는 측정은 다음과 같습니다.

이상적으로 생각한다면, 전기 업체에서 공급하는 전력은 정밀한 주파수에 있으며 일관적인 RSM 값을 가지고 있고 과도나 고조파가 없습니다. 하지만 실제로는 모든 것이 유동적입니다. 이렇게 발생하는 유동은 사용할 수 있는 품질을 유지할 수 있도록 지정한 범위 내에 있어야 합니다. 사양 안에 전력이 존재하도록 하기 위해 수행하는 전압 및 전류 웨이브폼의 모니터링 프로세스를 전력 품질 분석이라고 합니다. 간단한 DMM과 와트미터는 웨이브폼이 사인파의 모양과 멀어지게 되면 연산을 추정하기도 합니다. 더 낮은 레벨에서 웨이브폼으로 시작했기 때문인데, 이 때는 직접 연산을 적용하는 것이 좋습니다.

그럼 이제 전압, 전류 및 전력 측정에 대한 배경지식을 가지게 되었으니, 물리적으로 측정하는 방법을 알아보겠습니다.

전압은 병렬로 측정됩니다. 한 터미널은 핫(흰색) 리드에 연결되고 한 터미널은 반환(검정) 리드에 연결됩니다. 이론상 전압은 전체 망에서 동일해야 합니다. 하지만 실제로는 서브스테이션과 서브스테이션간에 약간의 차이가 있습니다.

전류는 일련으로 측정됩니다. 즉, 전원 케이블의 한 와이어를 활용할 수 있으며, 반으로 나누어 데이터 수집 카드를 통해 직접 연결할 수 있습니다. 이렇게 연결하면 데이터 수집 카드는 회로에 직접 통합됩니다. 이러한 직접 측정 방식은 더 작은 전류에서만 유효합니다. 좀 더 분명하게 말하면, 작은 전류 범위를 제공하는 대부분의 데이터 수집 카드로는 전력설비나 머신 또는 일부 가전기기의 전력을 측정할 수 없습니다. 변류기(CT)는 전류를 앞에서 언급한 것처럼 보다 작은 측정 가능한 전류로 낮추는데 사용합니다.

변류기 또는 CT를 사용할 때 로드 와이어는 데이터 수집 모듈에 직접 통하는 것이 아닌 CT의 개방을 통합니다. 이 방식은 로드 와이어를 통해 흐르는 전류와 함께 변하는 CT에 전류를 유도합니다. 이는 발전기가 작동하는 방식과 비슷하지만, 다른 점은 출력을 측정하는데 사용하고 있다는 것입니다. 계측기에 대한 CT의 출력은 2차 권선의 개수에 따라 달라집니다. 개방 주변에 2차 권선이 더 많은 CT를 이용하면 측정된 전류가 훨씬 더 낮아지게 됩니다.

그렇다면 DMM에서 보았던 디지털 출력을 웨이브폼 데이터에서 어떻게 얻을 수 있을까요? 웨이브폼 데이터로부터 계산할 수 있는 기능 중 하나는 RMS입니다.

RMS는 Root Mean Square (평균평방근)의 약자로 명칭에 의미를 함축하고 있습니다. 평균적으로 모든 데이터 포인트의 제곱 합의 제곱근은 웨이브폼에서 측정됩니다. 이 측정 값은 한 번의 주기 또는 여러 주기를 통해 계산할 수 있습니다.

웨이브폼 모양을 추정하기 위한 RMS를 계산하는 다른 방법도 있습니다. 이 추정치를 사용하고 더 쉽게 계산을 진행하면 계측기를 더욱 낮은 비용으로 구축할 수는 있지만 항상 최상의 결과 값을 얻을 수는 없을 것입니다.

하지만 단순히 RMS를 넘어 수행할 수 있는 다른 종류의 계산과 신호 처리도 있습니다.

앞에서도 언급한 것처럼, 모든 어플리케이션의 측정은 동일하게 전압과 전류의 측정부터 시작합니다. 이 전압과 전류를 통해 웨이브폼 기반으로 수행할 수 있는 다른 모든 종류의 계산을 확인하기 시작할 수 있습니다. 이 계산들은 일관적으로 수행될 수 있는 표준이 마련되어 있습니다.

sag/swell과 인터럽션과 같은 전력 “이벤트”는 표준 120/60Hz 장비에 좋지 않은 영향을 미칩니다. IEEE와 IEC 같은 조직은 전력 현상을 수량화하기 위한 표준을 정립했고, CBMEA와 ITIC 같은 조직은 사무용 장비의 운용 가능 지역을 정립했습니다. 사람들을 ‘세이프 존’에 있게 하기 위한 전력 품질 모니터링은 머신의 사용 기간을 연장시킬 수 있습니다. 품질이 좋지 않은 전력은 전력 공급 업체나 전력 컨디셔닝 장비를 통해 처리할 수 있습니다.

한 가지 유념할 점은 전력 컨디셔닝 장비의 가격은 저렴하지 않기 때문에, 전력을 모니터링하고 장비의 작동이 실패하는 원인을 이해한다면 새 장비 구입 시 적절한 ROI를 계산할 수 있습니다.

이제 좀 더 고급 내용으로 들어가보겠습니다. 여러분들께서는 일부 스크린샷에서 전압 및 전류 웨이브폼이 동일한 모양을 가지고 있다는 것을 눈치채셨을 것 같습니다. 하지만 앞에서 본 그림에서 전류 웨이브폼은 완벽한 사인파는 아니었습니다. 이런 결과는 다른 부하가 전류 신호에 영향을 미쳤기 때문입니다. 전압 및 전류 웨이브폼 사이의 위상 오프셋은 시스템에 가해진 부하의 종류에 직접적인 영향을 미칩니다. 그 중에서도 저항성 부하가 가장 효율적인데, 그 이유는 이 부하가 유도한 전류 웨이브폼이 전압 웨이브폼과 비슷하기 때문입니다. 모터와 같은 유도성 부하와 cfl과 같은 용량성 부하는 전류가 lag되거나 lead되도록 유발하지만, 동일한 망에 있을 때는 서로를 무효화시키게 됩니다. 이 현상을 역률보상이라고 합니다.

전류 웨이브폼의 lag 또는 lead는 현재 망에서 전력이 얼마나 효율적으로 사용되고 있는지를 나타내는 직접적인 징표입니다. 이 양을 수량화하기 위해 power triangle에 대해 알아보겠습니다.

위의 그림을 power triangle이라고 합니다. 전력에 대한 효율성을 계산하기 위해 사용되는 기하학적 유추입니다. 이 기하학을 이용하면, 두 개의 값 측정을 통해 삼각형의 모든 면을 계산할 수 있습니다.

실제 전력은 말 그대로 사용하는 전력입니다. 현재 소모 중인 실제 전력을 측정하는 것입니다.

무효 전력은 부하에서 유효하게 사용할 수 없는 전력 값입니다. 다시 말해, 이 전력은 “낭비”되고 있는 것입니다. 겉보기 전력은 실제 및 무효 전력의 벡터를 요약한 것입니다.

이 삼각형에서 중점적으로 봐야 하는 것은 실제 전력과 역률입니다. 역률은 망이나 현재 모니터링 중인 머신의 효율성을 측정한 것입니다. 상업 회사에서 역률이 특정 값 이하로 떨어지면 벌금을 받게 됩니다. 예를 들어, .95 범위는 지역별 규정과 전력 공급업체에 따라 달라집니다. 이 때문에 산업 제조업체들과 상업용 사용자들은 벌금을 피하기 위해 역률을 모니터링하고 필요할 경우 조정해야 합니다.

역률은 간단하게 계산할 수 있습니다. 실제 전력을 시스템의 겉보기 전력으로 나누기만 하면 됩니다.

Power triangle의 원래 물리학적 의미는 기동차를 끄는 말에서 비유되었습니다. 이 물리학에서는 말이 레일에 가까워질수록 더욱 효율적으로 기동차를 끌 수 있다는 것을 보여주고 있습니다. 이 예에서, 트랙에 수직인 힘 벡터는 낭비된 에너지인 이유는 기동차가 트랙에 수직으로 절대 이동하지 않기 때문입니다. 이는 power triangle에서 “무효 전력”을 뜻합니다. 위상각을 최소화하는 것이 중요한 이유는 소모된 전력의 효율성을 최대화할 수 있기 때문입니다.

지금 보는 사례는 CompactRIO 측정 플랫폼을 이용하여 전력 모니터링 시스템을 구현한 것입니다.

Nucor는 미국에서 가장 큰 철강 재활용 생산기업 중 하나입니다. 특성상 용광로를 실행하기 위해 엄청난 양의 전기가 필요하기 때문에 망에서 너무 많은 전력을 가져오는 경우에는 플리커라고 하는 현상이 유발되고는 했습니다. 이 현상이 발생할 때 에너지 공급업체는 상당한 벌금을 물게 되었습니다.

용광로가 너무 많은 전기를 쓰게 되면 운영자에게 경고하도록 망 모니터링 시스템을 구현하였고, 전력 양의 사용을 줄이고 벌금을 피하기 위해 제어 방식을 수정할 수 있었습니다.

앞에서 살펴본 사례와 데모는 NI의 C 시리즈 플랫폼으로 구축되었습니다. C 시리즈는 모듈형 데이터 수집 시스템으로서 100개 이상의 모듈을 활용할 수 있어 가속도계와 온도 데이터부터 전압과 전류를 한 시스템에서 모두 측정할 수 있습니다.

C 시리즈 제품은 두 가지 플랫폼으로 제공됩니다. 그 중 한 가지인 CompactDAQ은 웨이브폼 스트리밍 어플리케이션에 적합하며 USB, 이더넷, Wi-fi를 통해 연결할 수 있고, CompactRIO 시스템은 FPGA, 리얼타임 컴퓨터, 스토리지 디스크를 모두 내장하고 있어 임베디드 의사결정 및 컨트롤 어플리케이션에 적합합니다.

이 두 플랫폼은 앞에서 언급했던 전력 모니터링 플랫폼 예를 들어, 동시 샘플링, 앨리어싱 제거 필터 및 고분해능 측정 등의 요구사항을 모두 충족시킵니다.

내쇼날인스트루먼트는 C 시리즈 플랫폼 외에도 더 많은 채널 수와 더 뛰어난 성능을 제공하는 시스템으로 산업용 표준 PXI 폼팩터를 제공합니다. PXI를 이용하면, 더 높은 전류와 전압을 측정할 수 있고 1000개의 채널을 동기화할 수 있습니다.

본 웹 세미나를 통해 전력 측정 방법을 확실히 이해했을 것으로 확신합니다.

더 자세한 내용은 ni.com/data-acquisition 혹은 korea.ni.com/smart-measurements 에서 확인할 수 있습니다.