전기 고조파 이해: 1부 – 기초와 영향

Control Techniques 수석 엔지니어 Colin Hargis가 이 2부작 블로그에서 고조파 입문을 제공합니다. 2부는 여기에서 볼 수 있습니다.

이 블로그는 가변 속도 인버터 드라이브에 특별히 참조하여 전기 전력 고조파 주제를 소개합니다. 고조파가 무엇이고 무엇을 하는지 알기 쉽게 설명하고, 무선 주파수 간섭과 전기 '노이즈' 같은 다른 전자기 적합성(EMC) 효과와 구별하는 것을 목표로 합니다.

간단히 하기 위해 예제는 대부분 50Hz 공급 주파수를 가정합니다. 60Hz 지역에서 일한다면 주파수를 적절히 스케일링해야 합니다.

고조파 소개

주기적 함수의 고조파는 그 함수(기본파)의 정수배 주파수를 가집니다. 전기 전력 공학에서 이 아이디어는 전압 소스는 정현파지만 전류가 왜곡되어 있는 비선형 전력 부하 효과를 이해하는 데 주로 사용되며, 여전히 같은 주기를 가집니다. 푸리에 급수 개념을 사용하면 왜곡된 주기적 파형을 여러 고조파의 합으로 표현할 수 있습니다.

예를 들어, 단순 단상 브리지 정류기는 그림 1과 같이 전압 피크에서 짧은 펄스 시리즈로 전류를 인입합니다;

그림 1: 단순 단상 브리지 정류기 전류 파형

전류는 구성 주파수로 분석될 수 있습니다. 그림 2와 같이 홀수 차수 고조파 시리즈로 구성됩니다;

그림 2: 그림 1 전류의 주파수 분석

이 분석의 이점은 전기 부품 거동이 특정 정현파 주파수 관점에서 가장 이해하고 정의하기 쉽다는 것입니다.

이 경우 50Hz 메인즈 주파수에서 약 30차, 즉 1500Hz까지 고조파 전류가 꽤 유의미함을 볼 수 있습니다. 그 이상에서는 빠르게 감소합니다. 3, 5, 7, 9차 저차 고조파는 진폭이 정말 높고 기본파(50Hz)보다 훨씬 작지 않습니다.

음/양 반주기가 같은 형태면 홀수 고조파만 존재합니다. 3상 전력 회로에서는 3배수 고조파(3, 6, 9, 12 등)도 없는데, 이들이 동위상이라 3선 회로에서 차단되기 때문입니다.

고조파 엄밀한 정의와 작업 정의. 인터하모닉스.

진짜 고조파는 기본파의 정확한 정수배 주파수만 가질 수 있습니다. 정류기나 철심 자기 부품 같은 단순 비선형 소자는 진짜 고조파 전류를 생성합니다.

공급 주파수와 동기화되지 않을 수 있는 능동 스위칭을 사용하는 현대 전력 전자 회로에서는 진짜 고조파가 아닌 새로운 주파수들이 존재할 수 있습니다. 예를 들어, 회생 드라이브에 대한 블로그 4, 5에서 설명했듯, 60Hz 공급에서 4kHz 스위칭 주파수로 동작하는 인버터는 3880Hz와 4120Hz 등 많은 다른 주파수에서 전류를 생성하는데, 이들은 60Hz의 정수배가 아니므로 진짜 고조파가 아닙니다. 올바른 용어는 인터하모닉스(Interharmonics)입니다. 이들은 여전히 원치 않는 주파수이며 일부 효과는 고조파와 같아 일반 논의에서는 단순히 '고조파'로 불릴 수 있습니다. 이는 혼란을 야기할 수 있으므로 진짜 고조파인지 모든 종류의 왜곡인지 명확히 하는 것이 최선입니다.

어떤 효과가 있는가?

그림 1, 2를 다시 참조하면, 정류기가 메인즈 공급에 연결되어 있습니다. 공급은 50Hz 단일 주파수 정현파입니다. 정류기는 메인즈로 방출되어 전력 시스템으로 퍼지는 고조파 주파수에서 전류 소스입니다. 그림 3은 이를 보여줍니다. 고조파 전류가 부하에서 방출되어 공급 소스 임피던스에 고조파 전압을 일으킵니다. 이 전압은 공통 결합 지점(PCC)에 연결된 다른 전력 사용자들이 경험합니다.

그림 3: 전력 네트워크에서 고조파 전파

고조파 주파수는 100Hz부터 약 2500Hz까지 범위입니다(일반적으로 약 50차까지, 일부 기관은 100차나 200차까지 봅니다. 고조파 측정 표준은 9kHz에서 멈춥니다). 첫 번째 흥미로운 점은 이들이 전자기 스펙트럼에서 매우 낮은 주파수라는 것입니다. 그림 4에 나와 있습니다;

그림 4: 전력 고조파 위치를 보여주는 단순화된 전자기 스펙트럼

'무선 주파수'는 일반적으로 9kHz에서 시작하는 것으로 간주되며, 사실 약 100kHz 이하에서는 유용한 전자기파 생성 어려움으로 무선 응용이 거의 없습니다. 이는 고조파가 파동으로 전파되지 않고 전력 시스템 배선을 따라 전도되어만 이동함을 의미합니다. 이들은 유도 결합으로 간섭을 일으키지 않고, 전력선을 통해 다른 장비로 전도되어 간섭을 일으킵니다. 이들이 고려되어야 하는 이유는 누적되기 때문입니다. TV 한 대의 정류기는 미미한 효과지만, 수백만 대가 동시에 작동하면 고조파가 같은 주파수와 위상을 가지므로 전력 시스템에서 더해집니다. 전체 효과는 정현파 전압 파형 왜곡입니다. 그림 5는 정류기 고조파로 인한 '평평한 탑' 왜곡을 보여줍니다;

그림 5: 정류기 고조파로 인한 전압 왜곡

전력 시스템의 적당한 고조파 전류 수준은 문제가 없지만, 과도하면 문제가 생길 수 있습니다. 전력 시스템에서 과도한 고조파의 가능한 효과는 아래와 같습니다. 모두 꽤 드물지만 발생하면 교정하기 어렵고 비쌀 수 있습니다.

• 일부 주파수 민감 전기 장비 과열, 특히:
  • 역률 보정용 커패시터
  • 유도 모터
  • 변압기
  • 발전기(예: 백업 전원 같은 소형 로컬 발전기)
• 변압기, 버스바 등에서 음향 노이즈
• 메인즈 주파수를 타이밍에 사용하는 장비의 에러(이제 드물어짐)
• 파형 왜곡에 반응하는 UPS 시스템 원치 않는 트리거링
• 아날로그 사운드 시스템(극장, 교회 등)에서 노이즈 픽업
• 전력 시스템 보호 릴레이 원치 않는 트립으로 공공 공급 손실

고조파 심각한 어려움은 꽤 특수한 경우 외에는 드뭅니다. 예: 제한된 전력 능력의 자체 발전기가 있고 많은 드라이브나 정류기가 있는 선박. 그러나 전력 회사는 수백만 소형 가전제품 작동에서 고조파 누적을 경험하며, 공공 공급에서 5차 고조파가 한계 값에 있는 위치들이 있습니다.

'노이즈'

고조파 효과에는 일반적으로 '전기 노이즈'라고 불리는 전자 회로 교란 종류가 포함되지 않음을 유의하세요. 이는 아날로그 드라이브 시스템에서 노이즈와 진동, 또는 디지털 데이터 링크에서 데이터 에러를 초래하는 경향이 있습니다. 이유는:

• 고조파 주파수가 인접 전기 회로 간 유의미한 유도 결합(스트레이 결합)에 너무 낮습니다. 대부분의 전기 간섭은 전자기적으로 결합하거나 접지(어스) 연결 스트레이 인덕턴스를 통해 결합될 수 있는 훨씬 높은 주파수에 의해 발생합니다.

고조파는 전력 회로에서만 직렬 모드 전류로 전파됩니다. 즉, 전력 시스템 전력 도체를 따라 이동하며 접지(어스) 연결을 따라 이동하지 않습니다. 고주파 '노이즈'는 보통 공통 모드, 즉 도체와 접지로 회로가 완성됩니다. 그림 6으로 추가 설명;

그림 6: 단상 전력 회로에서 직렬 모드(a)와 공통 모드(b)

고조파 데이터: 입력/출력, 전압/전류

드라이브 사용자가 드라이브 고조파 데이터를 요청하는 경우가 있습니다. 입력/출력, 전류/전압을 참조할 수 있어 혼란 가능성이 있습니다. 아래 표는 각 위치별 관련 데이터를 요약합니다.

때때로 출력 고조파 데이터 요청은 이전 세대 인버터 드라이브(준정현파 기법 사용, 작업 주파수의 비-3배수 고조파 포함) 경험에서 기인합니다. PWM에서는 고조파가 무시할 만합니다.

표를 요약하면, 특정 드라이브 모델의 특성인 고조파 데이터는 입력 전류 데이터뿐입니다. 이는 공급업체에 요청 시 제공되어야 합니다.

고조파 블로그 2부에서는 고조파 측정 및 평가 방법, 드라이브 부하에 따른 변화, 고조파 저감 필요 시 대처 방법을 다룹니다.