플리커 이해: 전력 품질 영향과 가변 속도 드라이브의 도움

이 블로그는 관점에 따라 전력 품질 또는 전자기 적합성(EMC) 문제로 볼 수 있는 플리커 주제를 다룹니다. VSD가 플리커를 유발할 수 있는지, 그리고 플리커 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 살펴봅니다.

'플리커'는 공급 전압이 빠르게 변할 때 전기 조명에 나타나는 효과를 말합니다. 대형 부하가 갑자기 연결되거나 차단될 때 발생하는 간헐적 단일 딥이나 플래시부터, 사람 눈과 뇌가 특히 민감한 주파수 범위(약 0.5Hz~20Hz)에서 전압이 변조될 때 발생하는 성가신 빠른 플리커까지 다양합니다.

플리커는 고조파 및 기타 전력 품질 문제와 혼동되기도 합니다. 고조파는 정의상 공급 주파수의 정수배 주파수에 있으며, 눈이 반응하기에는 너무 높습니다. 그러나 플리커와 고조파 전압 모두 부하 전류가 공급 소스 임피던스 때문에 전압에 영향을 주어 발생하므로, 긴 공급 선로나 기타 요인으로 공급 임피던스가 높은 위치에서는 고조파 전압과 플리커 문제가 함께 발생할 수 있습니다.

그림 1은 공급 주파수의 1/5로 시뮬레이션된 플리커가 있는 과장된 파형을 보여줍니다. 반면 그림 2는 시뮬레이션된 5차 고조파를 보여줍니다. 그림 2에서는 모든 주기가 동일하게 왜곡되므로 플리커가 발생하지 않습니다.

전력 공급업체는 전력 품질이 목적에 부합하도록 보장해야 하며, 플리커에 대한 가이드라인이 있습니다. 일반적으로 민원이 있을 때만 측정하며, 풍력 터빈 같은 특수 시스템을 제외하고는 설치 현장에 대한 정기적 테스트는 거의 없습니다.

대량 생산되는 전기 제품은 플리커 제품 표준을 충족해야 할 수 있습니다. 가장 잘 알려진 국제 제품 표준은 상단 16A 이하 제품에 대한 IEC 61000-3-3 또는 유럽의 EN 61000-3-3으로, 시험과 한계를 정합니다. EU에서는 이 표준이 EMC 지침 하에 조화되어 해당 범위 내 장비는 일반적으로 CE 마크를 달고 EU 시장에 출시하기 위해 이를 준수해야 합니다. 상단 75A까지는 IEC 61000-3-11이 적용됩니다. 표준들은 민감한 0.5Hz~20Hz 반복 주파수 범위에서 엄격한 한계를 두지만 25Hz 이상에서는 한계가 없습니다.

플리커 표준들은 모두 전기 조명의 동적 거동과 사람 눈과 뇌의 민감성을 고려한 측정과 평가를 요구합니다. 플리커 곡선(나중 참조)은 텅스텐 필라멘트 전구 기준입니다. 이들은 전압과 전력의 제곱 법칙 관계로 전압에 꽤 민감합니다. 반면 열용량 때문에 급격한 변동을 완화하는 경향이 있습니다. 물론 필라멘트 전구는 이제 흔하지 않습니다. 형광등은 완화 효과가 적은 다른 특성을 가집니다. LED 램프는 종종 레귤레이터가 있어 전압에 영향을 받지 않으나, 디머와 함께 사용하도록 설계된 경우는 예외입니다. 표준이 미래에 현대 램프 거동을 반영해 업데이트될 수 있지만, 시험 장비 교체와 제품 재시험 비용은 환영받지 못합니다. 필라멘트 전구 기반 한계가 몇 년간 더 유지될 가능성이 높습니다.

간고조파(인터하모닉스)

인터하모닉스는 공급 주파수의 정수배가 아닌 원치 않는 주파수로, 스펙트럼에서 고조파 사이에 위치합니다. 진짜 고조파에 가까우면 겉보기 공급 전압 변조를 초래할 수 있습니다. 필라멘트 램프 같은 단순 저항 부하에서는 주파수가 높고 램프가 전압 실효값의 이동 평균에만 민감하므로 플리커를 일으키지 않습니다. 그러나 정류기나 기타 비선형 부하는 합/차 주파수를 생성할 수 있는데, 인터하모닉스가 공급 주파수 정수배에 가까우면 저주파를 포함할 수 있습니다. 그림 3은 인터하모닉스 차수가 5.2인 예입니다. 피크 진폭이 눈에 보이게 변조되지만 실효 전압은 변조되지 않으며, 이는 플리커로 측정되지 않습니다. 이런 파형은 스위칭 주파수가 공급과 위상 고정되지 않은 회생 드라이브나 기타 능동 전력 컨트롤러에서 발생할 수 있습니다.

플리커 원인

플리커는 항상 공급에서 인입되는 전류 변동으로 인해 발생하며, 이로 인한 공급 전압 변동이 조명을 포함한 다른 부하에 영향을 줍니다. 가능한 소스는 많으며, 아래 목록은 더 일반적인 것들입니다.

단일 이벤트:

1. 모터 직접 기동. 단일 전압 딥의 가장 흔한 원인입니다. 유도 모터는 기동 시 정격 전류의 3~5배를 인입하며, 기동 전류가 전압에 위상 지연되므로 공급 임피던스(주로 유도성)에서의 전압 강하가 저항 부하보다 큽니다.
2. 대형 전자 장치(드라이브 등) 기동 시 커패시터 충전 돌입 전류
3. 대형 변압기 기동 시 여자 돌입 전류
4. 역압이 있는 컴프레서나 펌프 기동으로 높은 기동 토크 발생

빈번한 무작위 이벤트:

1. 아크로
2. 아크 용접기
3. 자주 큰 부하 피크를 겪는 기계, 예: 믹서, 프레스 등

주기적 또는 거의 주기적 이벤트:

1. 자동 스폿 용접기
2. 왕복 펌프/컴프레서 또는 유사 맥동 부하
3. 부하를 스위칭하여 작동하는 서모스탯 또는 기타 컨트롤러 – 특히 고주파로 동작할 수 있는 솔리드스테이트 스위치 사용 시
4. 버스트 파이어링 사이리스터 또는 트라이악 컨트롤러

가변 속도 드라이브의 플리커 영향

드라이브 자체

드라이브 자체가 플리커를 유발할 수 있는 유일한 방법은 전원 투입 시 커패시터 충전 돌입 전류입니다. Control Techniques 드라이브는 돌입 전류가 정격 입력 전류를 초과하지 않도록 설계되어, 정상 정격 운전 시 전압 강하를 초과하지 않습니다.

제어 시스템

드라이브가 급격하게 변동하는 전력 출력을 생성하는 시스템에 속해 있다면 플리커를 유발할 수 있습니다. 이는 프로그래밍된 주기적 동작이나 피드백 제어 루프의 한계 안정성 때문일 수 있습니다. 어떤 제어 시스템이든 과도한 플리커를 유발하지 않는지 평가해야 합니다.

다축 급속 주기적 움직임이 있는 기계에서는 제어를 배치해 전력 피크가 순차적으로 발생하게 할 수 있습니다. 이로 인해 플리커 주파수가 축 수만큼 곱해져 25Hz를 넘으면 문제를 없앨 수 있습니다.

부하

모터 기동

드라이브는 모터 기동으로 인한 급작스런 전압 강하를 완전히 제거합니다. 모터 주파수와 전압이 제어된 방식으로 램프 업되어 모터 전류가 제한될 뿐만 아니라, 드라이브 입력 전류가 출력 전류가 아닌 출력 전력에 비례하므로 모터 속도 증가에 따라 입력 전류만 램프 업됩니다. 대안이 값비싼 공급 시스템 보강일 경우, 드라이브가 과도한 전압 강하 없이 기동할 수 있다는 이점만으로도 가치가 있는 애플리케이션이 있습니다.

왕복 펌프 같은 맥동 부하

드라이브 DC 링크 커패시터에 저장된 에너지는 플리커 주기를 완화하기에 충분하지 않으므로, 부하 전력이 변동하면 드라이브 입력 전류도 같은 방식으로 변동합니다. 특수 조치를 취하지 않는 한 드라이브는 변동 부하를 보상하지 않습니다.

보통 드라이브는 맥동 부하로 인한 플리커 수준에 아무런 차이를 주지 않지만, 드라이브가 이 효과를 악화시킬 수 있습니다:

• 첫째, 속도를 낮추면 맥동 주파수가 중요한 25Hz 지점 아래로 내려가 플리커가 인지될 수 있게 됩니다.
• 둘째, 드라이브 시스템이 맥동 부하 토크에 대해 정밀 속도 제어를 하도록 구성되면, 모터가 토크 주기 내에서 감속/가속되는 것을 방지하므로 전력 변동을 증폭시킵니다. 이는 플라이휠이 장착된 경우를 포함해 기계 관성에 저장된 에너지의 이점을 감소시킵니다. 토크 주기 내에서 속도를 정밀 제어할 특별한 이유가 없다면 맥동 부하에 폐루프 속도 제어나 슬립 보상을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 실제로 속도가 토크에 따라 자연스럽게 변동하도록 두어 기계적 저장 에너지를 활용하는 것이 더 좋습니다.

폐루프 속도 제어를 꼭 사용해야 한다면, 낮은 게인의 주로 적분 제어기를 구현하는 것이 최선입니다. 이렇게 하면 평균 속도는 정밀하게 제어되면서 컨트롤러가 유도 모터 슬립으로 인한 주기 내 자연적 주기적 변동을 방해하지 않습니다. 이 제안은 직관에 어긋나 보일 수 있습니다. VSD가 빠르고 정확한 속도 제어를 제공한다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 빠른 동작 제어가 플라이휠이나 기타 관성의 에너지 저장 이점을 감소시킵니다.

위 논의는 유도 모터에 적용됩니다. 영구 자석 모터에서는 속도가 본질적으로 정밀하게 조절되며 토크 펄세이션이 로터 슬립에 의한 감소 가능성 없이 직접 입력 전력으로 반영됩니다. 드라이브에 특수 제어 알고리즘을 프로그래밍해 토크 상승 시 속도가 동적으로 떨어지도록 하면서 회전 주기 내 장기 평균 속도를 원하는 값으로 유지할 수 있습니다. 이는 전력(전력 = 토크 × 속도)을 일정하게 유지하려는 경향이 있으며, 전력이 입력 전류를 결정합니다. Control Techniques는 이에 대한 특허 애플리케이션을 보유하고 있습니다. 이는 일부 애플리케이션에서 기계 설계 비용 절감에 유용할 수 있습니다. 예: 다기통 왕복 펌프/컴프레서를 단기통으로 대체.

플리커 한계

플리커는 IEC 61000-4-15에 정의된 '플리커미터'로 측정합니다. 장비 한계는 IEC 61000-3-3, IEC 61000-3-11 같은 표준에 설정됩니다.

플리커 측정은 공급 전압 변동입니다. 제품 시험 시 시험 시스템에는 표준에 정의된 시뮬레이션된 메인즈 공급 임피던스가 포함되어야 합니다. IEC 61000-3-3의 한계는 230V 50Hz 공급에 임피던스 (0.4 + j0.25)Ω로, 매우 '약한' 공급, 즉 낮은 단락 전류를 시뮬레이션합니다.

그림 4는 IEC 61000-3-3의 단순 반복 직사각형 전압 변화 한계를 보여줍니다(230V 50Hz 공급). 주파수 축은 초당 완전 주기 수, 즉 각 주기는 두 개의 크기 같고 반대 방향 스텝으로 구성됩니다. 다른 패턴 평가를 위한 추가 규칙이 있습니다. 그림은 약 0.5Hz~20Hz 임계 주파수 범위에서 허용 레벨이 낮음을 명확히 보여줍니다.

플리커 저감

VSD 사용이 모터 기동이나 맥동 부하 플리커 감소에 어떻게 도움이 되는지 이미 살펴봤습니다.

기존 방법으로는 토크를 완화하기 위한 다기통 왕복 펌프 사용, 플라이휠 등이 있습니다.

큰 전력 맥동이 불가피하면 공급 연결을 현장 인입 전원 피드에 전기적으로 가깝게 하여 다른 부하와 공유되는 케이블 전압 강하를 피해야 합니다. 조명 회로도 인입 전원 피드 가까이에 별도 연결해야 합니다.

극단적인 경우 더 낮은 임피던스의 새 공급 선로를 설치해야 할 수 있습니다. 높은 비용을 고려할 때, VSD의 창의적 사용이 비용을 피할 수 있는지 탐구해 볼 가치가 있습니다.