[고조파 억제 대책] 고조파 억제 기기와 최신 기술 동향

개요

최근 파워일렉트로닉스 기술의 급속한 진보로 가전 · OA 기기에서 산업용 기기까지 폭넓은 분야에서 반도체 응용 기기가 보급됨에 따라 이들 기기에서 발생하는 고조파 전류에 의해 계통의 전압 변형이 증대하고 있다. 그 영향에 따라
 · 콘덴서 설비의 이음(굋音), 과열, 소손
 · 변압기의 이음, 과열
 · 차단기의 이음, 오동작
 · 컴퓨터 시스템의 오동작
 · 조명 기기의 깜박임
 · 가전제품(라디오, 텔레비전 등)의 잡음, 영상흔들림
등의 장해가 대도시 · 공업지역 · 주택가를 중심으로 증가해 심각한 문제가 되고 있다.
이에 일본에서는 고조파 억제 대책 기술 지침(JEAG 9702-1995)을 제정하여 고조파 대책을 실시하도록 하고 있다.
본고에서는 각종 고조파 억제 대책 기기의 특징 및 대책 방법에 대해서 소개한다.

고조파 필터에 의한 고조파 제어

주된 고조파 대책 기기로 패시브(Passive, 수동)필터와 액티브(Active, 능동) 필터가 있다.

1. 패시브(수동) 필터에 의한 대책
⑴장치개요
패시브 필터는 콘덴서(C) · 리액터(L)라고 하는 수동(패시브) 소자를 조합해 특정 차수(주파수) 또는 차수(주파수) 영역에서 저(低)임피던스가 되는 분로를 구성해 고조파 전류를 흡수함으로써 부하와의 접속점에서 전원 쪽으로 유출하는 고조파 전류를 저감할 수 있다(<그림 1, 2> 참조).
특정 차수(주파수)를 저임피던스로 한 필터를 동조 필터(<그림 3> 참조), 차수(주파수) 영역에서 저임피던스로 한 필터를 고차형 필터(<그림 4> 참조)라고 한다. 고조파 억제 효과는 높지만 억제시키는 차수분의 분로를 개별로 설정할 필요가 있다. 일반적으로는 고조파 발생량이 많은 5 · 7 · 11차 분로에 동조 필터를 구성해 고조파 대책을 실시한다.

⑵ 계산식
 · 임피던스 : Z(ω)
  동조 필터 :
  고차 필터 :
  r : 동조 필터의 등가 직렬저항(Ω)

⑶특징
 · 회로 구성이 단순하고 예전부터 실용화되어 적절히 사용하면 신뢰성은 높고 싼 가격에 대책가능하다.
 · 회로 부품인 콘덴서는 상용주파수에서 용량성이 되기 때문에 역률 개선 장치로서 혼용 가능하다.
⑷채용시유의점
 · 설치 환경에 따라서는 전력계통을 사이에 두고 다른 수요가에서 고조파 전류의 유입 영향을 받는 경우가 있다. 이때 리액터나 콘덴서가 과부하가 되지 않도록 주의해야 한다. 이를 방지하기 위해서는 패시브 필터를 수전 변압기 이차 측에 설치하든가 한류 리액터 설치를 권장한다.
 · 구성 부품인 콘덴서는 상용주파수에서 용량성이 되기 때문에 경부하 시에는 과진상이 되지않도록 유의할 필요가 있다.
 · 패시브 필터는 복수(福겤)의 분로에서 구성되지만 그 1분로를 정지하면 반공진을 일으켜 고조파가 확대하는 경우가 있다. 따라서 부분적인 정지는 안이하게 해서는 안 된다.
또한 패시브 필터를 투입 및 개방 조작을 할 경우에도 같은 현상이 발생할 가능성이 있으므로 최저차 분로에서 투입, 최고차 분로에서 개방이라고 하는 순서에 주의할 필요가 있다.

2. 액티브(능동) 필터에 의한 대책
⑴장치개요
액티브 필터는 부하에서 발생하는 고조파 전류를 검출해 그 역위상 전류를 능동적으로 출력함으로써 부하와의 접속점에서 전원 쪽으로 유출하는 고조파 전류를 저감할 수 있다(<그림 5, 6> 참조).
⑵ 계산식
 · 용량 :
  QAF=
  In : n차 고조파 전류 실행치(A)
  V : 계통전압 실행치()
  G : 이득(발생 고조파에 대해 장치가 보상하는 비율)

  K : 여유계수
⑶특징
 · 전원이나 회로 조건에 좌우되지 않아 높은 고조파 보상 효과를 기대할 수 있다. 각 제조사마다 고조파 보상 대상 차수, 종합 고조파 보상율이 다르지만 ㈜시즈키전기(指月電機) 제품의 경우,

로, 높은 고조파 보상 능력을 가진다.
 · 패시브 필터와 달리 상용주파수에서 용량성이 되지 않기 때문에 고역률 부하에 적합하다.
 · 액티브(능동) 필터이기 때문에 과부하가 되지않는다.
 · 고조파 발생 기기에 맞는 증설을 손쉽게 할 수 있다.
 · 고조파 보상뿐만 아니라 무효전력 보상, 고조파와 무효전력 동시 보상 등의 기기도 옵션으로 추가 할 수 있다.
⑷채용시유의점
 · 액티브 필터는 부하에서 발생하는 고조파 전류를 검출해 출력하기 때문에 부하전류 검출용 변류기 설치(위치 · 상 · 극성)에 주의한다.
 · 고조파 보상 대상 부하에 역률 개선용 콘덴서 등 콘덴서 요소가 포함되면 그 콘덴서와 전원 사이에서 발생하는 공진주파수로 발진 현상이 생겨 고조파가 확대할 가능성이 있다(<그림7> 참조).
콘덴서가 포함된 경우에는 발진 현상을 방지시키기 위해서 콘덴서 전류 검출용 변류기를 별도로 설치해 콘덴서 전류를 취소시킬 필요가 있다(<그림 8> 참조).

㈜시즈키전기에서는 액티브 필터 납입 후 발진 현상이 발생한 경우에 장치 조정에서 이 현상을 회피하도록 발진 방지 기능을 마련하고 있다. 단, 이 기능을 이용하면 액티브 필터의 고조파 보상 차수가 제한된다.
고조파 대책 검토 단계에서 콘덴서 요소가 확인된 경우에는 콘덴서를 제거하든지 <그림 8>과 같이 콘덴서 전류 검출용 변류기 설치를 권장한다.

고조파 필터 외 장치로 고조파 억제

전력기기 가운데 역률 개선용 콘덴서와 변압기가 있다. 이들 특성 · 특징을 고려해 경제적이고 효율적인 고조파 대책이 가능하다.

1. 역률 개선용 콘덴서
⑴장치개요
6% 직렬 리액터 부착 역률 개선 콘덴서는

4.08차에서 가장 낮은 임피던스가 되며, 그 차수에 가까운 5차 고조파 전류를 어느 정도 흡수할 수 있다(<그림 9, 10, 11> 참조).
⑵ 계산식
전원과 콘덴서 설비의 임피던스에 의한 분류 계산 (고조파 흡수 효과)(<그림 12> 참조)

⑶특징
 · 전원 임피던스 등의 조건에 좌우되지만, 일반적으로 고압 진상 콘덴서 설비는 최소 40%의 5차 고조파 억제 효과가 있다. 이는 고압 쪽보다 저압 쪽에 설치하는 편이 변압기 임피던스가 전원 임피던스에 가산되기 때문에 효과가 크다.

⑷채용시유의점
 · 고조파 발생원이 존재하는 회로에 리액터가 없는 진상 콘덴서 설비가 설치되어 있는 경우에는 계통 임피던스에 따라 고조파 확대 현상이 발생한다. 이 때문에 진상 콘덴서에는 6% 이상의 리액터를 설치할 필요가 있다.
 · 진상 콘덴서는 계통에서 발생하는 고조파, 전원의 잠재 고조파 변형 영향을 받아 과부하가 될 경우가 있다. 계통에 고조파가 많이 함유된 경우에는 반드시 패시브 필터 · 액티브 필터 등으로 대책할 필요가 있으며, 전원에 고조파가 많이 함유된 경우에는 직렬 리액터의 리액턴스 비(比)를 크게 해 고조파로부터 진상 콘덴서 설비를 보호한다.
 · 일본의 각 전력회사의 '전기공급약관'에 역률은 매일 오전 8시부터 오후 10시까지의 평균 역률(순간 역률이 진행 역률이 될 경우 순간 역률은 100%로 한다.)로 기재되어 있다. 야간에 경부하가 되는 경우는 진상 콘덴서를 개방해 전원에서 잠재 고조파 변형의 유입을 막는 것도 진상 콘덴서 운용에 있어 중요하다.

2. 변압기의 다(多)펄스화
⑴장치개요
Y-△ · △-Y와 같이 30˚의 위상차가 발생하는 권선의 변압기를 동일 모선에 접속해 5차 · 7차 고조파를 저감시킨다(<그림 13> 참조).
⑵채용시유의점
 · 변압기 용량 · 임피던스가 동일하다.
 · 각 변압기에서 같은 종류, 용량, 운전 패턴으로 고조파 발생 기기를 가동할 필요가 있다.

기타

1. 인버터용 리액터
인버터의 교류(입력 쪽)에 리액터(ACL) 또는 직류 쪽에 리액터(DCL)를 설치함으로써 고조파 전류를 저감할 수 있다(<그림 14>, <표 1> 참조).

일반적으로 ACL은 입력용량의 3% 정도를 사용해 ACL 리액턴스가 커지면 고조파 제어 효과도 커지지만, 10%를 초과하면 전압강하 등에 의해 부하가 운전 불가가 되는 경우가 있다.

2. PWM 제어
인버터는 입력전류가 변형 파형이지만, 컨버터는 입력전류를 스위칭 소자로 PWM 제어해 정현파가 되기 때문에 저(低)차 고조파 전류가 그다지 발생하지 않도록 할 수 있다.

고조파 대책 동향

최근 멀티 타입의 공조기 등을 중심으로 고조파 발생 부하마다 소용량의 액티브 필터(<그림 15> 참조)를 내장시킨 인버터의 라인업이 증가하고 있다.

마무리

현재 일본 전 수요가에서는 고조파 억제 대책 기술 지침 준수에 따라 고조파 대책이 실시되어 고조파에 의한 장해도 서서히 감소하고 있다. 앞으로도 위에서 논한 고조파 대책 기기(방법)의 특징 · 특성 등을 잘 구분해서 사용하면 전원 품질을 향상시킬 수 있으며, 본고가 고조파 대책 실시에 도움이 되리라 생각한다.