고조파 소개:2부

이 미니 시리즈의 두 번째 부분에서 Colin Hargis는 효과적인 고조파 관리에 대해 살펴봅니다. 1부는 여기에서 볼 수 있습니다.

고조파 측정

개별 고조파 전류 또는 전압을 측정하고 r.m.s. 단위로 인용할 수 있습니다. 수량. 종종 그것들은 펀더멘털의 백분율로 표현될 수 있습니다. 고조파 측정 기기는 기본적으로 고조파를 백분율로 표시하는 것이 매우 일반적입니다.

고조파 데이터, 특히 현재 데이터를 평가할 때는 주의를 기울여야 합니다. 기본 전류가 낮으면 부하 전력이 낮기 때문에 백분율로 표시되는 고조파가 높게 나타납니다. 이것은 오해의 소지가 있습니다. 드라이브에 제공되는 데이터는 정의된 부하 전력에서 제공됩니다. 감소된 부하에서 고조파 전류는 절대값으로 감소하지만 기본 값의 백분율로 증가합니다.

이것은 그림 7에 설명되어 있습니다. 그림 7(a)는 5 ^번째 와 같은 주요 고조파가 어떻게 및 11 ^일 전력이 증가함에 따라 증가합니다. 그림 7(b)는 부하 전력이 증가함에 따라 주요 고조파와 THD가 기본의 백분율로 표시되는 방식을 보여줍니다.

그림 7:(a) 절대량 및 (b) 기본 전류의 %로 표현되는 부하 전력에 따른 전류 및 고조파의 변화

드라이브에서 사용자가 입력 전류가 전력의 함수, 즉 샤프트에서 토크와 속도의 곱이라는 사실을 인식하지 못하는 경우 이는 특히 오해의 소지가 있습니다. 드라이브가 감속된 속도로 정격 토크를 전달하는 경우 출력 전류가 최대 정격에 가깝고 인버터 단계가 해당 전류를 전달하고 예상되는 전력 손실을 열로 생성하기 때문에 "열심히 작동하는" 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 실제 전력 처리량은 낮으므로 입력 전류도 낮습니다.

THD, VTHD, ITHD, 왜곡 계수 및 역률

고조파의 전체 효과를 측정하는 간단한 단일 매개변수는 전체 고조파 왜곡(THD)입니다. 이것은 r.m.s. 사이의 비율(%)입니다. 모든 고조파의 가치와 기본. 전압 및 전류의 경우 각각 VTHD 및 ITHD라고 할 수 있습니다.

ITHD는 부하를 줄이면 높게 나타나므로 다시 주의해야 합니다.

전력 공학에서 역률은 일반적으로 교류가 전압과 위상이 같지 않은 경우 교류에 의해 전달되는 유용한 전력의 감소를 측정하는 데 사용됩니다.

전류와 전압이 정현파일 때 이것은 cos o와 같습니다.

고조파 전류가 있고 전압이 사인 곡선으로 유지된다고 가정하면 역률은 두 가지 요인으로 나눌 수 있습니다.

왜곡 계수가 왜곡으로 인한 유용한 전류의 감소를 측정하는 경우:

그리고 변위 계수는 위상 변이로 인한 감소를 측정합니다.

이러한 요소의 의미는 전력선에서 직접 또는 드라이브로 작동하는 모터를 고려하여 설명할 수 있습니다.

따라서 모터는 두 경우 모두에서 매우 유사한 역률을 가지며, 이는 주 전원에서 끌어온 전체 부하 전류가 매우 유사함을 의미합니다. 그러나 모터 단독으로 증가된 전류는 전류가 위상에서 전압보다 뒤떨어지기 때문에 전적으로 발생하는 반면, 모터 및 드라이브에서는 주로 고조파 전류가 있기 때문입니다.

왜곡 계수 및 THD는 왜곡 수준 또는 전체 고조파의 대체 측정값입니다. 그것들은 다음과 같은 기능으로 관련되어 있습니다:

(여기서 THD는 백분율이 아닌 분수로 표시됨)

고조파 관리. 제품의 고조파 전류 데이터.

전력 공급 업체는 과도한 고조파로부터 전력 시스템 및 전력 사용자를 보호하기 위한 규칙을 운영합니다. 각 고급 사용자는 규칙을 준수하는지 확인할 책임이 있습니다. 유럽 ​​연합과 같은 일부 지역에서는 많이 사용되는 전기 제품의 고조파 방출이 EMC 법의 일부로 규제됩니다. 즉, 국내 및 소상공인 사용자는 특별한 규정을 만들 필요가 없습니다. 전문 장비의 대규모 산업 사용자는 고조파 방출이 과도하지 않은지 스스로 확인해야 합니다. 가장 일반적으로 규칙은 해당 공급을 제공하는 조건으로 전력회사로부터 새로운 전력 공급을 필요로 하는 새로운 설치가 제안될 때 적용됩니다.

규칙은 국가마다 다르지만 원칙은 동일합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.

• 전력 회사는 궁극적으로 공급 장치의 고조파 전압이 허용 가능한 수준을 충족하는지 확인해야 합니다. 예를 들어, EU에서 전력 품질은 표준 EN 50160에 의해 관리됩니다. 일반적으로 각 사용자에게 고조파 전압 "예산"을 할당합니다. 앞에서 설명한 것처럼 고조파 전압은 모든 위치에 고유한 공급 임피던스 및 기존 고조파와 상호 작용하는 고조파 전류에 의해 발생합니다. 몇 가지 복잡한 계산과 측정이 필요하며 이는 일반적인 산업 설비에서 정당화될 수 없습니다.
• 따라서 일반적으로 유틸리티에는 공급 연결의 용량이나 사용자의 피크 또는 평균 전류 수요에 따라 달라질 수 있는 한도까지 고조파 전류를 허용하는 몇 가지 단순화된 규칙이 있습니다. 특정 공급 지점에 연결된 모든 관련 장비에 대한 고조파 전류 데이터를 추가하여 전압보다 전류를 추정하는 것이 훨씬 간단합니다. 이러한 이유로 상당한 고조파 전류를 생성하는 드라이브와 같은 전문 장비는 사용자가 사용할 수 있는 고조파 전류 데이터가 필요합니다. Control Techniques는 요청 시 무료로 제공되는 EMC 데이터 시트에서 모든 드라이브 제품에 대한 이 데이터를 제공합니다.
• 특정 설치의 경우 전류가 허용 한계를 초과하면 이를 줄이기 위한 기술적 조치를 취하거나 설치로 인한 고조파 전압을 평가하기 위해 보다 복잡한 조사를 수행해야 합니다.
• 한편, EU와 같은 단일 시장에서 모든 장비가 통합 표준을 충족하는 경우 위에 설명된 작업이 필요하지 않습니다.

표준

설치의 경우 많은 유틸리티가 자체 규정을 운영하므로 국가 표준이 매우 많습니다. 특히 잘 알려진 표준 중 하나는 IEEE 519입니다.

전력 품질 표준에는 IEC 61000-2-4가 포함되며, 이 표준은 이 경우 산업용 LV 공급 장치의 경우 최대 허용 고조파 수준인 "호환성 수준"을 정의합니다. IEC 표준은 필수는 아니지만 유틸리티는 종종 IEC 표준에 제공된 제한을 자체 규정의 출발점으로 사용합니다.

최종 제품의 경우 위상당 최대 16A 정격 장비에 대한 IEC 표준 IEC 61000-3-2와 위상당 최대 75A에 대한 IEC 61000-3-12가 있습니다. EN 61000-3-12와 같은 유럽 버전은 EEA 시장에 출시되는 최종 제품에 대해 사실상 의무적입니다.

이러한 표준 중 하나의 범위에 속하는 장비에 드라이브가 내장된 경우 고조파 방출의 주요 원인이 될 가능성이 큽니다. Control Techniques 드라이브의 경우 EN 61000-3-12를 충족하려면 작은 추가 입력 초크를 사용해야 합니다. 정보는 EMC 데이터 시트에 나와 있습니다.

부하 효과

드라이브가 포함된 기계의 고조파 적합성을 확인할 때 발생하는 일반적인 문제는 올바른 정격 부하 전력 문제입니다. 테스트 부하가 정격 부하보다 적음이 판명되어 테스트에 실패한 제품에 대한 불만이 있었습니다. 이는 애플리케이션이 드라이브의 전체 기능을 사용하지 않거나 EMC 테스트 연구소에서 기계를 완전히 로드할 수 없기 때문일 수 있습니다. 기계는 종종 실험실로 가져올 수 없는 크고 더럽거나 어려운 재료를 작업하도록 설계되었기 때문에 테스트 실험실에서 실제 부하를 생성하는 것이 어려운 경우가 많습니다. 필요한 표준이 충족되도록 하려면 다음 요구 사항을 준수해야 합니다.

1. 추가 입력 초크는 애플리케이션에 대해 의도된 최대 연속 부하 전력에서 정확하도록 선택해야 하며, 이는 반드시 드라이브 정격은 아닙니다.
2. 기계의 다른 고조파 발생 장비를 고려해야 합니다.
3. 시험 중 하중은 정격 하중과 같아야 합니다. 필요한 경우 테스트 지그에 일종의 임시 브레이크 또는 기타 부하 장치를 제공해야 합니다.

고조파 감소

인덕턴스를 추가하면 간단한 정류기에 의해 생성되는 고조파의 자연 레벨을 훨씬 줄일 수 있습니다. 이것은 드라이브 DC 링크 또는 AC 입력 라인에 있을 수 있습니다. 정격이 약 2.2kW 이상인 대부분의 드라이브는 3상 전원을 사용하고 인덕턴스를 제공하는 초크를 포함합니다. 그림 8은 이러한 종류의 드라이브에 대한 일반적인 전류 파형을 보여줍니다. 파형이 사인파와는 거리가 멀지만 그림 1보다 훨씬 더 나은 것을 볼 수 있습니다. 이 경우 ITHD는 약 50%이고 최악의 고조파는 약 40%에서 5번째입니다.

그림 8:3상 전원 및 입력 초크가 있는 드라이브의 일반적인 입력 전류 파형.

이 수준의 고조파는 3kW에서 수백 킬로와트의 전력 범위에 걸쳐 대부분의 애플리케이션에 적합합니다. 민감한 애플리케이션과 총 구동 전력이 공급 용량에 접근하기 시작하는 경우 고조파를 추가로 줄여야 할 수 있습니다. 아래 표는 상대적 이점에 대한 몇 가지 참고 사항과 함께 사용할 수 있는 주요 기술을 제공합니다.

스윙 초크

일부 드라이브 제조업체에서는 "스윙 초크"의 사용을 권장했습니다. 스윙 초크는 1920년대에 발명된 것으로, DC 스무딩을 위해 일부 라디오 세트에 사용되었습니다. 초크는 DC 전류가 증가함에 따라 자기 회로의 일부가 포화되고 인덕턴스가 감소하도록 계단식 또는 프로파일형 에어 갭으로 설계되었습니다. 그 결과 저전류에서 인덕턴스가 증가하고, 이는 부하 전력 범위에서 고조파 제한을 충족하는 위에서 설명한 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 인덕턴스 값이 부하에 맞게 조정되기 때문입니다.

스윙 초크는 다양한 드라이브 등급에 대한 다양한 초크 값의 재고를 줄일 수 있기 때문에 드라이브 제조업체에 도움이 될 수 있습니다. 추가 초크가 필요하지 않고 감소된 부하에서 드라이브가 고조파 표준을 충족하도록 함으로써 사용자에게 도움이 될 수 있습니다. 실제로 넓은 하중 범위에서 작동하는 스윙 초크를 설계하는 것은 매우 어렵기 때문에 실제 이점은 적습니다.