고조파

고조파의 정의

고조파는 기본파 주파수의 정수배가 되는 주파수 성분이다.

제n고조파는 주파수가 기본파의 n배이며, 2차와 3차는 각각 2배와 3배다.

이 성분은 비선형 부하에서 만들어져 전압과 전류 파형을 왜곡시킨다.

발생 원리

정류기나 인버터 같은 비선형 부하가 고조파를 만든다.

다이오드, 사이리스터, IGBT는 스위칭 동작으로 전류를 끊어 흘린다.

그 고조파 전류가 선로와 변압기 임피던스에서 전압강하를 만들어 파형을 왜곡시킨다.

그래서 고조파 문제는 발생원, 전달 경로, 피해 설비로 나누어 본다.

계산 예제

기본파 100V에 3차 10V, 5차 5V, 7차 2V가 측정되었다고 하자.

THD는 고조파 실효치를 기본파 실효치로 나눈 값에 100을 곱한 것이다.

3, 5, 7차를 제곱해 더하고 제곱근을 구하면 약 11.36V다.

따라서 왜형률은 약 11.4%이며, 전압 왜곡이 커서 필터 검토가 필요하다.

영상분과 중성선

3의 배수 차수 고조파는 영상분으로 작용한다.

세 상의 3차 고조파 전류는 위상이 같아 중성선에 합산된다.

그래서 중성선 전류는 각상 영상분의 3배가 된다. 10A씩이면 30A다.

이것이 고조파로 인한 중성선 과열의 핵심 원인이다.

수동 필터와 능동 필터

수동 필터는 커패시터·인덕터·저항 조합으로 고조파를 흡수한다.

능동 필터는 전력반도체로 만들며, 원래 고조파와 반대 방향 신호로 상쇄한다.

수동 필터는 구조가 단순해 비용이 낮지만, 차수에 맞춰 설계해야 한다.

역률은 수동 필터가 저하시킬 수 있고, 능동 필터는 영향을 주지 않는다.

정리

앞 문제의 정답은 능동 필터다. 능동 필터는 역률에 영향을 주지 않는다.

고조파는 기본파 정수배 주파수 성분이며 비선형 부하가 만든다.

영상분 고조파는 중성선 과열의 원인이며, 중성선 전류는 각상의 3배다.

답안은 발생원, 영향, 대책을 나누어 쓰는 것이 기본이다.

비상발전기 용량 산정에서도 전력전자 부하 비율을 반영한다.