고조파 전동기 영향

왜 배우는가: 고조파는 전동기의 손실 증가, 온도 상승, 토크 맥동을 일으켜 설비 수명과 운전 신뢰성을 떨어뜨린다. 인버터 구동 전동기와 전력변환 설비가 늘면서 현장 문제로 자주 나오며, 기술사 시험에서도 전동기 종류별 영향과 고조파 전압계수를 묻는 문제로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제136회 1교시 3번, 제101회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파 전동기 영향은 기본 주파수의 정수배 고조파가 전동기의 철손·동손·토크 특성을 악화시켜 온도 상승, 진동, 효율 저하를 일으키는 현상이다.

• 고조파(harmonics): 기본 주파수 정수배의 사인파 성분
• 철손(core loss): 히스테리시스손과 와전류손의 합, 주파수에 비례
• 토크 맥동(torque pulsation): 고조파 자계와 회전자계의 상호작용으로 생기는 주기적 토크 변동
• 역상 성분(negative sequence): 고조파 중 회전 방향이 반대인 성분으로 제동 토크를 만듦
• 고조파 전압계수(HVF, harmonic voltage factor): 고조파 전압이 전동기 손실에 미치는 정도를 나타내는 계수
• 영상 전류(zero sequence current): 3의 배수 차수 고조파가 중성선으로 흐르는 전류
• 열화(insulation aging): 과열로 권선 절연이 노화되는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전동기에 공급되는 전압과 전류가 정현파에서 벗어나 있으면 그 찌그러진 부분이 전동기 안에서 열과 떨림으로 바뀐다는 뜻이다. 전동기는 설계 주파수의 정현파에 맞춰 만들어졌기 때문에, 고조파가 들어오면 같은 기기에서 예상보다 많은 손실이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력계통의 고조파는 기본 주파수의 양의 정수배 주파수를 갖는 사인파 성분이며, 비선형 부하에서 발생한다. 전동기에서 고조파 영향은 이 성분이 권선과 철심에 만드는 추가 손실과 회전자계 간섭으로 정의된다.

철손 증가는 고조파 주파수가 높을수록 커진다. 히스테리시스손은 주파수에 비례하고 와전류손은 주파수의 제곱에 비례하므로, 고차 고조파는 철심을 더 강하게 가열한다.

역상 고조파 토크는 고조파 차수에 따라 회전 방향이 바뀐다. 5차 고조파는 역상(음의 시퀀스)으로 회전 반대 방향 토크를 만들고, 7차 고조파는 정상 방향으로 작용한다. 이 둘의 합이 토크 맥동과 속도 변동을 일으킨다.

영상분 고조파인 3차와 그 배수는 3상 Δ 결선 권선 안에서 순환전류를 만들고, 4선식 계통에서는 중성선에 합쳐져 흐른다. 전동기 권선이 Y 결선일 때 중성점이 없으면 영상 전류가 흐르지 못하므로 영향이 작다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 전동기는 직입기동과 정속 운전이 대부분이었고, 전력계통 고조파는 주로 변압기와 조명 부하에서 생겼다. 반도체 전력변환장치, 인버터(VVVF) 구동, 전압형 컨버터가 확산되면서 고조파 발생원이 전동기 자체 주변으로 늘었다.

이에 따라 고조파가 전동기 효율, 수명, 절연에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 기준이 필요해졌다. 고조파 전압계수(HVF)는 이 평가를 위해 쓰이는 대표 지표로, 같은 고조파 전압이라도 전동기 종류와 용량에 따라 손실 증가가 다르다는 점을 반영한다.

전동기는 설비 가동률과 직결되므로, 고조파 영향을 설계 단계에서 예측하고 필터나 구동 방식으로 억제하는 것이 설비 운영의 필수 과제가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파 전동기 영향을 답안으로 쓰려면 먼저 고조파가 전동기 내부에서 어떤 손실과 토크 변화를 만드는지 구성요소별로 나눠 알아야 한다. 전동기는 비선형 부하로 분류되지는 않지만, 고조파가 들어오면 철심 손실과 권선 손실이 늘고 회전자에는 역회전 토크가 더해진다. 이 구조를 이해하면 종류별 차이를 설명할 수 있다.

고조파 전류와 고조파 전압이 전동기에 들어오면 세 가지 경로로 영향을 준다. 첫째는 철손, 둘째는 권선 손실, 셋째는 회전자 토크다. 철손은 히스테리시스손과 와전류손으로 나뉘며, 두 손실 모두 주파수에 비례하여 커진다. 고조파 차수가 높을수록 같은 크기라도 철손 증가가 크다.

표의 구성요소가 모두 열로 연결된다는 점이 핵심이다. 고조파 손실은 결국 온도 상승으로 나타나고, 절연 수명을 줄인다.

고조파 전압은 역상분 회전자계를 만들어 정상 토크를 감소시킨다

역상분 자계는 회전 방향과 반대로 도는 자계다. 5고조파 전압은 전동기에 역상분으로 들어가 제동 토크를 만든다. 7고조파는 정상분으로 들어가 회전 방향 토크를 만든다. 두 토크의 합이 전동기의 유효 토크가 된다.

고조파 전압계수(HVF) 는 고조파 전압이 역상 토크에 미치는 영향을 나타내는 계수다. 고조파 전압계수를 계산할 때는 차수별 전압 크기와 차수 n을 쓴다. 기본 절차는 다음과 같다.

• 전원 전압 파형을 푸리에 급수로 분해하여 차수별 전압 Vn을 구한다.
• 기본파 전압 V1에 대한 차수별 비 Vn/V1을 구한다.
• 역상 토크 영향이 큰 차수(5, 7, 11, 13 등)의 값을 골라 계수를 합산한다.
• 합산한 값으로 전동기의 과열 여부와 토크 감소를 판단한다.

고조파 전압계수는 다음과 같이 쓴다.

$HVF=\sqrt{\sum_{n\geq 2}\left(\frac{V_n}{V_1}\right)^2}$

V_n은 n차 고조파 전압(V), V_1은 기본파 전압(V)이다. 전압 왜형률(THD)과 같은 형태이므로 두 값은 함께 설명하면 된다.

고조파 전압계수는 관련 기준이 정한 값 이하로 관리하는 것이 권장된다.

5. 관련 법령·기준·표준

전동기의 고조파 허용 기준은 국내 전력 품질 기준과 전동기 제작 규격에서 나온다. 국내에서는 전기사업법에 따른 전기품질 관리 기준이 전압 왜형률의 상한을 정하며, 전동기 자체에 대한 고조파 허용치는 전동기 제작사 설계 기준과 KS 규격에서 다룬다. 답안에서는 기준 이름을 먼저 쓰고 수치를 덧붙인다.

표의 값은 기준 적용 조건에 따라 달라진다. 전압 왜형률 기준은 계통 전압 등급에 따라 다르다. 고조파 전압계수 기준은 제작사 설계 기준을 따른다.

전기품질 관리 기준은 고조파 측정 방법을 IEC 61000-4-7 측정 방식과 맞춘다. 측정 장비와 측정 주기도 같은 체계를 따른다. 측정 결과는 기본파 대비 각 차수 비로 표시한다.

IEC 60034 는 회전 전기기계의 국제 표준이다. 전동기의 정격과 성능 시험을 다루며, 고조파 전압 공급 시 성능 평가 기준을 참고할 수 있다.