고급 고조파 관리: 2부 – 효과적인 전략 및 측정

이 미니 시리즈 2부에서 Colin Hargis가 고조파의 효과적 관리를 살펴봅니다. 1부는 여기에서 볼 수 있습니다.

고조파 측정

개별 고조파 전류나 전압은 실효값으로 측정되고 인용될 수 있습니다. 흔히 기본파의 백분율로 표현됩니다. 고조파 측정 기기가 기본적으로 고조파를 백분율로 표시하는 것이 매우 일반적입니다.

고조파 데이터, 특히 전류 데이터를 평가할 때는 주의해야 합니다. 부하 전력이 낮아 기본파 전류가 낮으면 백분율로 표현된 고조파가 높게 나타납니다. 이는 오해의 소지가 있습니다. 드라이브 데이터는 정의된 부하 전력에서 제공됩니다. 부하가 줄어들면 고조파 전류는 절대값으로 감소하지만, 기본파 대비 백분율로는 증가합니다.

이는 그림 7에 나와 있습니다. 그림 7(a)는 전류와 5차, 11차 같은 주요 고조파가 전력 증가에 따라 어떻게 증가하는지 보여줍니다. 그림 7(b)는 주요 고조파와 THD가 기본파 전류 대비 백분율로 표현될 때 부하 전력 증가에 따라 어떻게 감소하는지 보여줍니다.

그림 7: 부하 전력에 따른 전류와 고조파 변화, (a) 절대량, (b) 기본파 전류 대비 %

드라이브에서 이는 사용자가 입력 전류가 토크와 속도의 곱인 축 출력 전력의 함수임을 인지하지 못하면 특히 오해하기 쉽습니다. 드라이브가 감속에서 정격 토크를 전달하면 출력 전류가 최대 정격에 가까워 '열심히 일하는' 것처럼 보이고, 인버터 단계가 그 전류를 흘려 예상된 전력 손실을 열로 발생시킵니다. 그러나 실제 전력 처리량은 낮으므로 입력 전류도 낮을 것입니다.

THD, VTHD, ITHD, 왜곡 계수와 역률

고조파 전체 효과를 측정하는 단순 단일 파라미터는 총고조파왜곡(THD)입니다. 이는 모든 고조파의 실효값과 기본파의 비율(%)입니다. 전압과 전류에 대해 각각 VTHD, ITHD로 불릴 수 있습니다.

다시 ITHD에 주의해야 합니다. 부하가 줄면 높게 나타나기 때문입니다.

전력 공학에서 역률은 전류가 전압과 위상이 다를 때 교류가 전달하는 유효 전력 감소도를 측정하는 데 흔히 쓰입니다.

전류와 전압이 정현파일 때 이는 cos φ와 같습니다.

고조파 전류가 있고 전압이 정현파로 유지되면 역률은 두 요소로 분해될 수 있습니다:

역률 = 왜곡 계수 × 변위 계수

여기서 왜곡 계수는 왜곡으로 인한 유효 전류 감소를 측정합니다:

왜곡 계수 = 1 / √(1 + THD²)

변위 계수는 위상 변화로 인한 감소를 측정합니다:

변위 계수 = cos φ

이 요소들의 의미는 모터가 전력선에서 직접 운전되거나 드라이브와 함께 운전되는 경우를 고려해 설명할 수 있습니다:

모터 단독: 역률 ≈ 0.85 지연 (변위 계수 0.85, 왜곡 계수 ≈ 1)

모터 + 드라이브: 역률 ≈ 0.85 (변위 계수 ≈ 1, 왜곡 계수 ≈ 0.85)

따라서 모터는 두 경우 모두 매우 유사한 역률을 가지며, 이는 메인즈 공급에서 인입되는 풀부하 전류가 매우 유사함을 의미합니다. 그러나 모터 단독에서는 전류가 전압에 위상 지연되어 증가하는 반면, 모터+드라이브에서는 주로 고조파 전류 때문입니다.

왜곡 계수와 THD는 왜곡 수준 또는 총 고조파의 대체 척도입니다. 다음 함수로 관련됩니다:

왜곡 계수 = 1 / √(1 + THD²)

(THD가 백분율이 아닌 분수로 표현될 때)

고조파 관리. 제품 고조파 전류 데이터.

전력 공급 회사는 과도한 고조파로부터 전력 시스템과 사용자를 보호하기 위해 규칙을 운영합니다. 각 전력 사용자는 규칙 준수를 책임집니다. 유럽 연합 같은 일부 지역에서는 대량으로 사용되는 전기 제품의 고조파 방출이 EMC 법의 일부로 규제됩니다. 이는 가정용 및 소규모 사업용 사용자가 특별 조치를 취할 필요가 없음을 의미합니다. 전문 장비의 대형 산업 사용자는 자신의 고조파 방출이 과도하지 않음을 스스로 보장해야 합니다. 가장 흔히는 새 설치가 제안되어 전력 회사로부터 새 전력 공급이 필요할 때, 그 공급 조건으로 규칙이 적용됩니다.

규칙은 국가마다 다르지만 원칙은 같습니다. 주요 단계는 다음과 같습니다:

• 전력 회사는 궁극적으로 공급 고조파 전압이 허용 수준을 충족하도록 해야 합니다. 예: EU에서 전력 품질은 EN 50160 표준으로 관리됩니다. 일반적으로 각 사용자에게 고조파 전압 '예산'을 할당합니다. 앞서 설명했듯 고조파 전압은 고조파 전류가 공급 임피던스 및 기존 고조파와 상호작용하여 발생하며, 이는 위치마다 고유합니다. 이를 예측하려면 복잡한 계산과 측정이 필요하며 일반적인 산업 설치에 정당화하기 어렵습니다.
• 따라서 일반적으로 전력 회사는 특정 공급 연결 용량이나 사용자의 피크/평균 전류 수요에 따라 달라질 수 있는 한도까지 고조파 전류를 허용하는 단순화된 규칙을 가집니다. 모든 관련 장비의 고조파 전류 데이터를 특정 공급 지점에 연결해 더하는 것으로 전류를 추정하는 것이 훨씬 단순합니다. 이 때문에 드라이브 같은 상당한 고조파 전류를 생성하는 전문 장비는 사용자가 고조파 전류 데이터를 이용할 수 있어야 합니다. Control Techniques는 모든 드라이브 제품의 고조파 전류 데이터를 EMC 데이터 시트로 자유롭게 제공합니다.
• 주어진 설치에서 전류가 허용 한도를 초과하면 기술적 조치로 줄이거나, 설치로 인한 고조파 전압을 평가하는 더 복잡한 조사를 수행해야 합니다.
• 한편, EU 같은 단일 시장에서 모든 장비가 조화 표준을 충족하면 위 작업이 필요 없습니다.

표준

설치에 대해 많은 전력 회사가 자체 규정을 운영하므로 매우 많은 국가 표준이 있습니다. 특히 잘 알려진 표준은 IEEE 519입니다.

전력 품질 표준에는 IEC 61000-2-4가 있으며, 이는 산업용 저압 공급에 대한 '적합성 수준'인 최대 허용 고조파 레벨을 정의합니다. IEC 표준은 강제성이 없지만, 전력 회사들은 종종 IEC 표준의 한계를 자체 규정의 출발점으로 사용합니다.

최종 제품에 대해서는 상단 16A 이하 장비에 IEC 61000-3-2, 상단 75A 이하에 IEC 61000-3-12 표준이 있습니다. EN 61000-3-12 같은 유럽 버전은 EEA 시장에 출시되는 최종 제품에 사실상 의무적입니다.

드라이브가 이 표준들 범위 내 장비에 내장되면 고조파 방출의 주요 기여자가 될 가능성이 높습니다. Control Techniques 드라이브는 EN 61000-3-12 충족을 위해 작은 추가 입력 초크가 필요합니다. 정보는 EMC 데이터 시트에 있습니다.

부하 영향

드라이브를 포함하는 기계의 고조파 준수 검사 시 흔히 겪는 문제는 올바른 정격 부하 전력 문제입니다. 테스트 부하가 정격 부하보다 적어 제품이 테스트에 실패했다는 불만이 있었는데, 이는 애플리케이션이 드라이브 최대 성능을 사용하지 않거나 EMC 시험실에서 기계를 풀부하로 돌릴 수 없기 때문일 수 있습니다. 기계가 실험실로 가져올 수 없는 크고 지저분하거나 어려운 재료에서 작동하도록 의도되는 경우가 많으므로 시험실에서 현실적인 부하를 만드는 것은 종종 어렵습니다. 필요한 표준 충족을 위해 다음 요구사항을 준수해야 합니다:

1. 추가 입력 초크는 애플리케이션의 의도된 최대 연속 부하 전력에서 올바르게 선정되어야 하며, 이는 반드시 드라이브 정격은 아닙니다.
2. 기계 내 기타 고조파 발생 장비도 고려해야 합니다.
3. 테스트 중 부하가 정격 부하와 같아야 합니다. 필요하다면 테스트 지그에 임시 브레이크나 기타 부하 장치를 제공해야 합니다.

고조파 저감

단순 정류기가 생성하는 자연적 고조파 수준은 인덕턴스 추가로 크게 줄일 수 있습니다. 이는 드라이브 DC 링크나 AC 입력 라인에 있을 수 있습니다. 약 2.2kW 이상 대부분의 드라이브는 3상 전원을 사용하며 인덕턴스 제공을 위한 초크를 포함합니다. 그림 8은 이런 드라이브의 전형적인 전류 파형을 보여줍니다. 그림 1보다 파형이 훨씬 좋지만 여전히 정현파와는 거리가 멉니다. 이 경우 ITHD는 약 50%, 최악 고조파는 5차가 약 40%입니다.

그림 8: 3상 공급과 입력 초크가 있는 드라이브의 전형적인 입력 전류 파형

이 수준의 고조파는 3kW에서 수백 kW 범위의 대다수 애플리케이션에 적합합니다. 민감한 애플리케이션이나 총 드라이브 전력이 공급 용량에 접근하기 시작하면 고조파를 더 줄여야 할 수 있습니다. 아래 표는 주요 기술과 상대적 장단점에 대한 주석을 보여줍니다.

스윙 초크(Swinging Chokes)

'스윙 초크' 사용이 일부 드라이브 제조사들에 의해 홍보되었습니다. 스윙 초크는 1920년대 발명으로, 일부 라디오 세트에서 DC 평활용으로 사용되었습니다. 이 초크는 계단형 또는 프로파일된 에어 갭으로 설계되어 DC 전류 증가에 따라 자기 회로 일부가 포화되어 인덕턴스가 감소합니다. 결과적으로 저전류에서 인덕턴스가 증가하여, 위에서 설명한 다양한 부하 전력에서 고조파 한계 충족 문제, 즉 인덕턴스 값이 부하에 맞춰 적응하는 문제를 완화합니다.

스윙 초크는 다양한 드라이브 정격에 대한 다른 초크 값 재고를 줄일 수 있어 드라이브 제조사에게 이득이 될 수 있습니다. 추가 초크 없이 감속에서 고조파 표준을 충족하게 해 사용자에게도 이득이 될 수 있습니다. 실제로는 넓은 부하 범위에서 작동하는 스윙 초크 설계가 꽤 어려워 실제 이득은 작습니다.