고조파 발생·영향

고조파란 무엇인가

고조파는 기본파 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분이다.

비선형 부하가 전압과 전류 파형을 왜곡시켜 생기는 현상이다.

정류기·인버터·LED 조명처럼 전류를 단속하는 기기가 대표적인 발생원이다.

전류 고조파와 전압 고조파

비선형 부하는 전압에 비례하지 않는 전류를 끌어와 파형을 찌그러뜨린다.

이 전류 고조파가 계통 임피던스를 지나며 전압을 왜곡시키면 전압 고조파가 된다.

전원 임피던스가 작으면 전압 고조파는 작으므로 전압은 기본파로 근사할 수 있다.

전류 고조파와 전압 고조파를 구분하는 것이 채점의 핵심이다.

병렬공진 차수 판단

앞 문제의 정답은 전류 고조파다. 비선형 부하가 직접 만들어 보낸 전류다.

전원 리액턴스와 콘덴서 리액턴스가 특정 차수에서 같아지면 병렬공진이 생긴다.

판단식은 n_r = √(X_c/X_o)이며, n_r이 고조파 차수와 가까우면 전류와 전압이 크게 증폭된다.

X_c가 9Ω, X_o가 1Ω이면 n_r은 3이므로 3차 고조파에서 공진한다.

이때 공진 차수 부근에서 콘덴서 회로에 과대한 고조파 전류가 흐른다.

콘덴서가 있을 때 전류 분류

콘덴서가 있으면 n차 고조파 전류는 전원측과 콘덴서측으로 나뉜다.

분모에는 전원 측 항, 콘덴서 항, 직렬 리액터 항이 함께 들어간다.

X_o=0.2Ω, X_c=20Ω, X_L=0Ω, n=5, I_5=10A를 대입한다.

분모는 1+4=5Ω, 분자는 4Ω이므로 전원측 전류는 8A가 된다.

나머지 2A는 콘덴서측으로 흐른다. 리액터를 넣으면 콘덴서측 전류가 줄어든다.

설비별 영향

고조파 영향은 과열, 오동작, 공진 세 축으로 나누어 설비별로 정리한다.

변압기와 전동기는 표피효과로 실효저항이 커져 과열되고 수명이 줄어든다.

커패시터는 임피던스가 작아져 고조파를 흡수하고, 공진으로 과부하가 된다.

3의 배수 고조파는 영상분으로 중성선에 3배 전류로 합산되어 과열을 부른다.

계전기 오동작과 통신선 유도장해도 함께 봐야 하는 영향이다.

고조파 대책 비교

고조파 대책에는 수동 필터, 능동 필터, 다펄스 정류, 리액터가 있다.

수동 필터는 설치가 쉽지만 계통 임피던스와 결합해 병렬공진을 만들 수 있다.

능동 필터는 역위상 전류를 주입해 상쇄하지만 설비비가 높다.

다펄스 정류는 발생원에서 저차 고조파를 줄이고, 리액터는 충격을 완화한다.

개선 방향은 발생원 측과 계통 측 대책을 함께 쓰는 것이다.

정리

정리하면 고조파는 기본파 정수배 성분이며 비선형 부하가 만든다.

발생원은 전력변환장치, 포화된 변압기·회전기, 형광등, LED 조명이다.

영향은 과열, 오동작, 공진으로 나누고 대책은 필터·리액터·다펄스 정류로 쓴다.

측정 기준은 TDD와 THD를 구분해 쓰는 것이 핵심이다.