이론적으로 공공 공급 전력은 깨끗해야 하며 전기 신호는 여러 가지 순도 및 무결성 표준을 준수해야 합니다. 실제로는 그렇지 않습니다. 수많은 사용자가 집중적으로 사용하고 있기 때문에 전기적 조건은 이상과는 거리가 멉니다. 전기 에너지의 비이상성은 필연적으로 가정 및 산업 분야에서 다양한 문제를 야기하는데, 특히 소비 및 효율성 측면에서 그렇습니다. 전기 네트워크는 연결된 "무거운 부하"로 점점 더 포화되고 있습니다. 이러한 부하는 종종 0이 아닌 전기 임피던스로 특징지어지며, 이로 인해 때때로 상당히 심각하고 전체 라인과 부하를 통과하는 왜곡이 발생합니다.
소개
전기선을 방해하는 요인 중 하나는 전기 에너지의 품질과 시스템 성능을 저하시키는 다양한 정도의 고조파가 존재한다는 것입니다. 이는 전기 도체와 변압기에서 손실을 일으켜 효율성을 떨어뜨리고 위험한 온도 상승을 유발합니다. 또 다른 결과는 자체 진동이 발생하여 전기 시스템이 불안정해지는 것입니다. 고조파는 또한 주변에서 무선 통신을 방해할 수 있는 전자기 간섭, 운영자에게 들리는 귀찮은 소음, 장치의 절연과 관련된 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 모든 문제는 전자 장비가 그렇게 정교하지 않았던 수년 전에도 존재했습니다.
현재 상황은 크게 개선되었지만 전압과 전류 사이의 잠재적인 부정합은 항상 도사리고 있습니다. 어떤 경우든 가장 빈번한 에너지 왜곡 유형 중 하나는 전류와 전압 사이에 위상 변화가 있을 때 발생합니다. 즉, 부하에서 이 두 양은 동상이 아니지만 어느 하나가 다른 하나보다 어느 정도 앞서거나 지연됩니다. 전기 네트워크에서 허용되는 고조파 왜곡을 제한하는 규정은 엄격하며 매우 높은 PF 값을 유지해야 합니다. 오늘날 전기 시스템에서 고조파를 최대한 제한하는 데 사용할 수 있는 수동 및 능동 기술이 여러 가지 있습니다.
PF(역률)와 THD(전체 고조파 왜곡률)
이것들은 전기 에너지와 에너지 품질 분야에서 중요한 두 가지 매개변수입니다. 역률(PF)은 전기 시스템이 공급된 전력을 사용하는 효율성을 측정하는 것입니다. 이는 유효 전력과 피상 전력의 비율이며, 다음 비율에 따릅니다.
높은 PF는 에너지의 효율적인 사용을 나타내는 반면, 낮은 PF는 더 많은 양의 무효 전력을 나타내며, 이는 유용한 작업에 기여하지 않고 에너지 손실을 일으킬 수 있습니다. 순수 저항 부하가 있는 선형 시스템에서 역률은 1과 같습니다. 그러나 유도성 및 용량성 구성 요소가 있는 시스템에서는 이 매개변수가 1과 다릅니다. 따라서 회선을 통과하는 신호는 다소 상당한 왜곡의 영향을 받으며, 그 양은 THD(전체 고조파 왜곡) 값에 의해 결정됩니다.
THD는 이상적인 파형(순수 사인파)과 비교한 전류 또는 전압 파형의 왜곡량을 측정합니다. 백분율로 표현되며 기본 구성 요소에 대한 고조파 성분(기본 주파수의 배수)의 합을 나타냅니다. 고조파 왜곡은 순수한 전기 신호가 장치 또는 회로를 통해 전송되어 초기 특성을 잃거나 수정할 때 발생합니다. 이러한 유형의 왜곡으로 인해 신호에 고조파가 나타나며, 이는 기본 주파수의 배수인 사인파 성분입니다.
정교한 측정 기구를 사용하여 고조파 왜곡을 측정합니다. 다양한 고조파의 진폭을 사용할 수 있는 경우 수동 계산도 가능합니다. 총 고조파 왜곡은 일반적으로 기본 주파수의 처음 5개 또는 6개 고조파의 제곱을 더하여 계산합니다. 그러나 많은 실제 상황에서 2차 및 3차 고조파만 포함하더라도 오차는 무시할 수 있습니다. 고조파 왜곡률을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
여기서 V1은 기본 주파수의 진폭이고, V2는 2차 고조파의 진폭이고, V3는 3차 고조파의 진폭입니다. 전류 분석을 고려한 또 다른 공식은 다음과 같습니다.
그림 1에서 두 신호의 그래프를 볼 수 있습니다. 첫 번째 순수 사인파(위)와 두 번째 사인파는 상대 회로에 용량성 및 유도성 리액턴스가 존재하여 왜곡이 발생한 것입니다. 이 그림은 또한 고조파 왜곡의 영향을 받는 신호에서 더 높은 고조파의 존재를 강조하는 상대 FFT 분석을 보여줍니다. 첫 번째 신호에서 고조파 왜곡은 0%인 반면 두 번째 신호에서는 9%에 달하는데, 이 값은 실제 응용 프로그램에서 간과해서는 안 될 값입니다.
수동 역률 교정기
이것은 고조파의 존재를 제어하는 가장 간단한 방법이며 인덕터와 커패시터로 구성된 수동 필터를 사용하는 것을 포함합니다. 전류가 50Hz 또는 60Hz의 주파수에서만 통과하는 경우 LC 필터는 고조파를 줄여 비선형 장치가 선형 부하로 나타나도록 하며 PF 값도 크게 증가시킵니다. 단점은 값과 전류가 큰 인덕터와 부피가 크고 비싼 고전압 커패시터가 필요하다는 것입니다. 전기 시스템의 에너지 효율을 개선하는 수동 구성 요소를 사용하는 다른 방법도 있습니다. 이러한 장치는 역률을 개선하여 시스템의 효율성을 높이고 손실을 줄이는 데 사용됩니다. 이들은 항상 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 구성 요소를 사용하여 전기 시스템의 무효 전력을 보상합니다.
무효 전력은 모터 및 변압기와 같은 유도성 부하에 의해 생성되며, 이는 전류와 전압 간에 위상 변화를 일으켜 역률을 감소시킵니다. PPFC의 주요 역할은 이러한 위상 변화를 줄이거나 제거하여 시스템을 보다 효율적으로 만드는 것입니다. 예를 들어, 많은 모터가 있는 산업 플랜트에서 PPFC를 사용하면 그리드에서 필요한 무효 전력량을 줄여 케이블을 따라 손실을 줄이고 장비의 전체 부하를 줄이는 데 도움이 됩니다. 복잡한 전자 부품을 사용하여 교정하는 능동적 역률 보정기와 달리 PPFC는 더 간단하고 저렴하며 더 안정적이지만 유연성과 정확성은 떨어집니다. PPFC는 전기 시스템에 커패시턴스를 추가하여 작동합니다. 커패시터는 부하에서 생성된 유도성 무효 전력을 보상하는 용량성 무효 전력을 제공하는 데 사용됩니다. 이러한 밸런싱은 전류와 전압 간의 위상 변화를 줄여 역률을 개선합니다. PPFC는 특정 주파수와 부하 수준에서 작동하도록 설계되었습니다.
부하의 변경에는 추가 설계 또는 구성 요소 수정이 필요할 수 있습니다. 또한, 커패시턴스를 과도하게 사용하면 용량성 역률이 발생하여 시스템에 추가적인 복잡성이 발생할 수 있습니다. 또한, 커패시터 구성 요소를 추가하면 경우에 따라 시스템에 있는 인덕턴스와 공진 현상이 발생하여 노이즈 또는 구성 요소 손상이 발생할 수 있습니다. 수동 역률 보정기는 주로 에너지 비용을 줄이고 운영 효율성을 개선하기 위해 역률 보정이 필수적인 산업 및 상업 환경에서 사용됩니다. 적절한 크기와 유지 관리를 통해 이러한 장치를 사용하여 최대의 이점을 얻을 수 있으며, 전기 에너지를 보다 지속 가능하고 효율적으로 사용하는 데 기여합니다.
높은 신뢰성과 고전력 처리 능력으로 인해 수동 역률 보정기는 일반적으로 고전력 회선 애플리케이션에 사용됩니다. 직렬 튜닝 LC 고조파 필터는 일반적으로 아크로, 전기 기관차 등과 같은 무거운 플랜트 부하에 사용됩니다. 그림 2는 다양한 필터 분기를 설정하고 관련 고조파 주파수에 맞게 조정해야 하는 고조파 필터의 연결 다이어그램을 보여줍니다. PF 보정기의 설계는 고조파 시스템 임피던스의 불확실성으로 인해 특히 어렵습니다. 이 방법은 너무 많은 값비싼 구성 요소를 포함하고 많은 공간을 차지합니다. 전력이 10kW 미만인 애플리케이션의 경우 이 시스템은 최선의 선택이 아닐 수 있습니다.
네트워크와 필터의 작동 주파수가 낮기 때문에(50Hz 또는 60Hz) 큰 값의 인덕터와 커패시터를 사용해야 합니다. 그 결과, 대부분의 수동 PF 교정기는 다음과 같은 단점이 있습니다.
- 출력이 조절되지 않습니다
- 그들은 회로 매개변수에 민감합니다
- 최대 0.9의 PF를 달성할 수 있습니다.
- 그들은 무겁고 부피가 크다
- 동적 반응이 좋지 않습니다
- 디자인 최적화가 어렵습니다
능동 역률 교정기
능동 PFC 솔루션은 능동 구성 요소와 마이크로컨트롤러를 사용합니다. 이 회로는 입력 전압 파형과 일치하도록 입력 전류를 자동(또는 수동으로) 모델링하여 일반적으로 0.9보다 높은 높은 PF 값을 생성합니다. 시장의 선도적인 전자 제조업체가 개발한 능동 PFC 역률 보정 모듈은 0.95보다 더 높은 역률 값을 달성할 수 있습니다. 이 회로에는 중간 출력 전압에 대한 컨버터 기능을 수행하는 컨트롤러가 장착되어 있습니다. 이들의 설계는 수동 모델보다 훨씬 복잡하고 비용이 많이 들지만 작은 풋프린트와 매우 높은 신뢰성을 제공합니다.
구현에 대한 주요 인센티브 중 하나는 특정 표준을 준수하는 것입니다.이를 달성하기 위해 고주파 스위칭 기술을 사용하여 입력 전류 파형을 정확하게 모델링했습니다.실제로 능동 PF 교정기는 PFC를 구현하기 위해 6가지 기본 컨버터 토폴로지를 사용합니다.그림 3에서는 Buck PFC와 Boost PFC의 두 가지 능동 PFC 교정기 모델이 나와 있습니다.출력 전압이 라인 전압보다 높으면 벅 교정기는 라인 자체에서 전류를 흡수하지 않아 결과적으로 전류 왜곡이 발생합니다.또한 전원 스위치의 전류 스트레스가 높습니다.대신 부스트 교정기는 EMI를 덜 생성합니다 .반면에 출력 전압은 라인 전압의 피크보다 높아야 합니다.
전압과 전류 사이의 위상 변화를 계산하는 방법
두 사인파 신호 사이의 위상 변화를 계산하는 것은 두 신호 사이의 시간적 관계를 이해하는 데 필수적이며 매우 간단합니다. 각도로 표현된 위상 변화는 신호가 다른 신호보다 얼마나 앞서거나 지연되는지를 나타냅니다. 위상 변화를 계산하는 데 사용되는 비율은 다음과 같습니다.
360° : T = phi° : t
여기서:
- T는 신호의 주기, 즉 한 사이클을 완료하는 데 걸리는 시간입니다.
- t는 위상 변화 시간, 즉 두 신호의 피크 사이의 시간 차이입니다.
이 관계로부터 우리는 다음을 얻습니다.
파이° = 360° * t / T
예를 들어, 그림 4에 표시된 주파수 50Hz의 두 사인파가 있다고 합시다. 이들은 서로 56° 위상이 다릅니다. 첫 번째 신호의 피크와 두 번째 신호의 피크 사이의 시간은 3.112mS입니다. 우리가 얻는 비율의 값을 대입하면:
파이° = 360° * 3.112 / 20
파이° = 56°
이 계산은 두 사인파의 위상이 56° 차이가 있음을 확인합니다.
결론
역률 보정은 주거 및 산업 환경 모두에서 전기 시스템의 성능을 최적화하는 데 중요한 측면입니다. 전압 및 전류 불일치와 고조파 왜곡의 존재와 관련된 문제는 에너지 효율성을 저하시킬 뿐만 아니라 전자 장치의 구성 요소 손상 및 오작동을 일으킬 수도 있습니다. 수동 역률 보정기와 같은 기존 보정 방식은 간단한 솔루션을 제공하지만 공간, 유연성 및 동적 응답 측면에서 몇 가지 제한이 있습니다.
그러나 더 높은 성능과 엄격한 규정 준수가 필요한 애플리케이션의 경우 능동 역률 보정기가 더 진보적이고 효과적인 선택입니다. 이러한 기술을 신중하게 설계하고 구현하면 전기 시스템의 효율성과 안정성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 자원의 지속 가능한 관리에 기여하여 낭비를 줄이고 전기 시스템 및 장비의 수명을 늘릴 수 있습니다.