고조파 소개:1부

Control Techniques의 수석 엔지니어인 Colin Hargis는 두 부분으로 구성된 이 블로그에서 고조파에 대한 소개를 제공합니다. 2부는 여기에서 볼 수 있습니다.

이 블로그는 가변 속도 인버터 드라이브에 대한 특별한 참조와 함께 전력 고조파 주제에 대한 소개입니다. 이것은 그들이 무엇을 하고 무엇을 하는지를 간단한 용어로 설명하고 무선 주파수 간섭 및 전기적 "노이즈"와 같은 다른 전자기 호환성(EMC) 효과와 구별하는 것을 목표로 합니다.

단순화를 위해 예제에서는 대부분 50Hz 공급 주파수를 가정합니다. 60Hz를 사용하는 영역에서 작업하는 경우 주파수를 적절하게 조정해야 합니다.

고조파 소개

주기적 함수의 고조파는 함수의 정수배(기본값)인 주파수를 갖습니다. 전력 공학에서 이 아이디어는 전압 소스가 사인파이지만 전류는 여전히 동일한 주기이지만 왜곡되는 비선형 전력 부하의 영향을 이해하는 데 주로 사용됩니다. 푸리에 시리즈의 개념을 사용하여 왜곡된 주기 파형을 여러 고조파의 합으로 나타낼 수 있습니다.

예를 들어, 간단한 단상 브리지 정류기는 그림 1과 같이 전압 피크에서 일련의 짧은 펄스인 전류를 끌어옵니다.

그림 1:단순 단상 브리지 정류기의 전류 파형

전류는 구성 주파수로 분석될 수 있습니다. 그림 2와 같이 일련의 홀수 고조파로 구성됩니다.

그림 2:그림 1의 전류 주파수 분석

이 분석의 이점은 전기 구성요소의 동작이 특정 사인파 주파수 측면에서 이해하고 정의하기 가장 쉽다는 것입니다.

이 경우 주전원 주파수가 50Hz인 경우 최대 약 30, 즉 1500Hz의 고조파 전류가 상당히 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 그 이상은 빠르게 감소합니다. 3, 5, 7, 9차의 저차 고조파는 진폭이 정말 높으며 기본(50Hz)보다 훨씬 작지 않습니다.

음수 및 양수 반주기의 모양이 같으면 홀수 고조파만 존재합니다. 3상 전원 회로에서는 3중 n 고조파(3, 6, 9, 12 등)도 존재하지 않습니다. 왜냐하면 그것들은 동위상이고 동위상 전류는 3선 회로에서 차단되기 때문입니다.

고조파에 대한 엄격한 정의 및 작업 정의. 상호 고조파.

진정한 고조파는 기본 주파수의 정확한 정수 배수인 주파수만 가질 수 있습니다. 정류기 및 철심 자기 부품과 같은 대부분의 단순한 비선형 장치는 실제 고조파 전류를 생성합니다.

공급 주파수와 동기화되지 않을 수 있는 능동 스위칭을 사용하는 최신 전력 전자 회로에서는 진정한 고조파가 아닌 새로운 주파수가 존재할 수 있습니다. 예를 들어, 재생 드라이브에 대한 블로그 4번과 5번에서 설명한 것처럼 60Hz 전원으로 4kHz의 스위칭 주파수로 작동하는 인버터는 3880Hz 및 4120Hz 및 기타 많은 주파수에서 전류를 생성합니다. 60Hz의 정수배가 아니므로 진정한 고조파가 아닙니다. 이에 대한 올바른 용어는 상호조파입니다. . 그들은 여전히 ​​​​원치 않는 주파수이며 그 효과 중 일부는 고조파와 동일하므로 일반적으로 단순히 "고조파"라고 부를 수 있습니다. 이것은 혼란을 야기할 수 있으므로 진정한 고조파를 말하는 것인지 아니면 모든 종류의 왜곡을 말하는 것인지 명확히 하는 것이 가장 좋습니다.

어떤 효과가 있습니까?

그림 1과 2를 다시 참조하면 주 전원에 연결된 정류기가 있습니다. 전원은 사인파이며 50Hz의 단일 주파수를 갖습니다. 정류기는 공급 장치에 흐르는 고조파 전류를 생성합니다. 정류기는 고조파 주파수의 전류 소스이며, 이 전류는 전원으로 다시 방출되어 전원 시스템 전체에 퍼집니다. 그림 3은 이를 보여줍니다. 고조파 전류는 부하에서 방출되고 공급 장치의 소스 임피던스에 고조파 전압을 유발합니다. 전압은 동일한 PCC(공통 결합 지점)에 연결된 다른 고급 사용자가 경험합니다.

그림 3:전력망의 고조파 전파

고조파의 주파수 범위는 100Hz에서 최대 약 2500Hz입니다(일반적으로 약 50차에서 멈추지만 일부 당국에서는 100에서 200까지 봅니다. 고조파 측정 표준은 9kHz에서 멈춥니다). 첫 번째 흥미로운 점은 이것이 전자기 스펙트럼에서 매우 낮은 주파수라는 것입니다. 이것은 그림 4에 표시된 스펙트럼에 설명되어 있습니다.

그림 4:전력 고조파의 위치를 ​​보여주는 단순화된 전자기 스펙트럼

"무선 주파수"는 일반적으로 9kHz에서 시작하는 것으로 간주되며 실제로 유용한 전자파를 생성하기가 어렵기 때문에 약 100kHz 미만의 무선 응용 프로그램은 거의 없습니다. 이것은 고조파가 파동으로 전파되지 않고 전원 시스템 배선 주위의 전도에 의해서만 이동한다는 것을 의미합니다. 전원선을 통해 다른 장비로 전도되어 스트레이 커플링에 의한 간섭을 일으키지 않습니다. 그것들을 고려해야 하는 이유는 누적되기 때문입니다. 따라서 TV 세트에 있는 하나의 정류기는 미미한 효과를 갖지만 수백만 대의 TV 세트가 동시에 작동할 때 이들의 고조파는 동일한 주파수와 위상을 가지므로 합산됩니다. 전원 시스템. 전체적인 효과는 사인파 전압 파형을 왜곡하는 것입니다. 그림 5는 정류기로 인해 발생하는 "플랫 탑(flat top)" 왜곡의 종류를 보여줍니다.

그림 5:정류기 고조파로 인한 전압 왜곡

전원 시스템의 중간 수준의 고조파 전류는 문제가 되지 않지만 과도하게 되면 문제가 발생할 수 있습니다. 전원 시스템에서 과도한 고조파의 가능한 영향은 다음과 같습니다. 이 모든 것은 매우 이례적인 일이지만 발생하면 수정하기 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

• 일부 주파수에 민감한 전기 장비의 가열 증가, 특히:
  • 역률 보정용 커패시터
  • 유도 모터
  • 변압기
  • 발전기(예:백업 전원 공급 장치와 같은 소규모 로컬 발전기)
• 변압기, 버스 바 등의 소음
• 타이밍을 위해 주 주파수를 사용하는 장비의 오류(이제 흔하지 않음)
• 파형 왜곡에 반응하는 UPS 시스템의 원치 않는 트리거링
• 아날로그 사운드 시스템의 노이즈 픽업, 예:극장 또는 교회
• 전원 시스템 보호 계전기의 원치 않는 트립으로 인한 공공 공급 손실

고조파에 대한 심각한 어려움은 다소 특별한 경우를 제외하고는 이례적입니다. 한 가지 예로 제한된 전력 용량을 가진 자체 발전기와 많은 수의 드라이브 또는 기타 정류기가 있는 선박이 있습니다. 그러나 전력 회사는 작동 중인 수백만 개의 소형 가전 제품에서 고조파가 누적되는 현상을 경험하고 공공 공급 장치의 5차 고조파가 한계 값에 도달하는 위치가 있습니다.

"소음"

고조파의 영향에는 일반적으로 "전기적 잡음"이라고 하는 전자 회로에 대한 교란이 포함되지 않으며, 이는 아날로그 드라이브 시스템의 잡음 및 진동 및/또는 디지털 데이터 링크의 데이터 오류를 초래하는 경향이 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 고조파의 주파수는 인접 전기 회로 간의 유도에 의한 상당한 표유 결합에 대해 너무 낮습니다. 대부분의 전기 간섭은 전자기적으로 결합될 수 있는 훨씬 더 높은 주파수 또는 접지(접지) 연결의 표유 인덕턴스를 통해 발생합니다.

고조파는 전원 회로에서만 직렬 모드 전류로 전파됩니다. 즉, 고조파는 접지(접지) 연결이 아닌 전원 시스템 전원 도체에서 이동합니다. 고주파 "노이즈"는 일반적으로 공통 모드에 있습니다. 즉, 도체로 이동하고 회로는 접지(접지)에 의해 완료됩니다. 자세한 설명은 그림 6을 참조하십시오.

그림 6:단상 전원 회로의 직렬 모드(a) 및 공통 모드(b)

고조파 데이터:입력 및 출력, 전압 및 전류

드라이브 사용자는 때때로 드라이브에 대한 고조파 데이터를 요청합니다. 입력이나 출력, 전류나 전압을 가리킬 수 있기 때문에 혼동의 가능성이 있습니다. 아래 표는 각 장소와 관련된 데이터를 요약한 것입니다.

때때로 출력 고조파 데이터에 대한 요청은 사용자가 이전 세대에 준제곱 기법을 사용하고 작동 주파수의 non-triple-n 고조파를 포함했던 인버터 드라이브에 대한 이전 경험에서 비롯됩니다. PWM을 사용하면 고조파가 무시할 수 있습니다.

표를 요약하면 특정 드라이브 모델의 특성인 유일한 고조파 데이터는 입력 전류 데이터입니다. 이는 요청 시 공급업체에서 제공해야 합니다.

고조파 블로그의 2부에서는 고조파를 측정 및 평가하는 방법, 드라이브 부하에 따라 고조파가 어떻게 달라지는지, 감소가 필요한 경우 수행할 수 있는 작업을 살펴보겠습니다.