고조파 전동기 영향

정의

고조파 전동기 영향은 기본 주파수 정수배의 고조파가 전동기의 손실과 진동을 키우는 현상이다.

전동기는 정현파에 맞춰 설계되므로, 고조파가 들어오면 같은 기기에서 손실이 더 커진다.

철손과 동손이 늘고 토크가 흔들려 온도 상승과 효율 저하가 생긴다.

내부 구조와 손실

고조파 전류와 전압이 들어오면 전동기 내부의 네 곳에서 변화가 생긴다.

고정자 철심은 히스테리시스손과 와전류손이 늘어 과열된다.

고정자 권선은 표피효과로 실효저항이 커져 동손이 증가한다.

회전자는 고조파 전류에 의한 유도 손실로 과열된다.

공극 자계에 역상분이 생겨 토크 맥동이 일어난다.

이 손실은 모두 열로 연결되어 절연 수명을 줄인다.

계산 방법

유도전동기의 손실을 평가할 때는 고조파 전압계수 HVF를 쓴다.

HVF는 기본파 전압에 대한 n차 고조파 전압 비의 제곱합에 제곱근을 씌운 값이다.

계산은 전압을 푸리에 급수로 분해해 차수별 Vn을 구하는 것부터 시작한다.

5, 7, 11, 13차처럼 역상 토크 영향이 큰 차수를 골라 합산하고 과열과 토크 감소를 판단한다.

전동기 종류별 영향

전동기 종류에 따라 고조파가 일으키는 피해 경로가 달라진다.

유도전동기는 손실과 열이, 동기전동기는 역상 자계와 회전자 가열이 주된 문제다.

인버터 구동 전동기는 고주파 공통모드 전압과 베어링 침식이 핵심이다.

종류별 차이를 비교 항목으로 나눠 쓰면 시험 답안의 구조에 맞는다.

헷갈리는 점

시험에서 자주 틀리는 세 가지를 짚어 보자.

첫째, 고조파 손실을 동손으로만 설명하면 안 된다. 철손도 함께 늘어난다.

둘째, 5고조파가 회전을 막는다고 쓰면 안 된다. 역회전 토크가 생기지만 회전을 막을 만큼은 아니다.

셋째, 짝수 고조파가 큰 영향을 준다고 쓰면 안 된다. 전력계통에서는 일반적으로 없다.

정리

앞서 낸 문제의 정답은 역상분이다. 5고조파가 이 성분으로 제동 토크를 만든다.

고조파는 철손과 동손을 늘려 발열과 토크 맥동을 일으킨다.

대책은 전원측 필터와 리액터, 전동기측 절연 베어링과 접지로 나눠 쓴다.

이 흐름을 알면 종류별 영향과 HVF 문제에 모두 답할 수 있다.