리액터와 변압기의 차이점 ? 선형부하와 비선형 부하의 종류와 의미 및 차이점

선형부하와 비선형 부하의 종류와 의미 및 차이점

출처: http://blog.daum.net/sdmall/13

1：고조파란?전력회사로부터 공급되는 상용전원의 주파수(50 Hz/60 Hz)를 기본주파수라고 말합니다.고조파와는 기본 주파에 대해서 정수배로, 2차~50차까지의 것을 가리키고 있습니다.전력회사로부터 보내져 오는 전기에는 거의 이것들 고조파는 포함되어 있지 않습니다.범용 인버터등의 콘덴서 입력형 정류회로를 이용한 평활 회로가 있는 경우, 교류로부터 안정된 직류를 만들어 내기 위해서 콘덴서로 충방전을 반복해 실시해, 필연적으로 많은 고조파가 발생합니다.그 때, 입력 전류 파형의 기본파에 고조파가 더해져 폐해파가 됩니다.＋=기본파 전류(50 Hz/60 Hz)고조파 전류폐해파 전류(기본 주파수의 정수배의 주파수)2：노이즈와 고조파의 차이란?　노이즈고조파주파수대수 10 KHz 이상(고조파)~수KHz(40~50차)전달 경로전기회로·공간·유도전기회로발생량스위칭 주파수전류 용량영향센서류의 오동작·오류검출라디오의 잡음기기에의 이음·진동·소실·오동작등주된 대책노이즈필터의 설치배선 경로의 재검토·변경절연의 강화, 등 AC 또는 DC 리액터의 설치고조파 억제 유닛, 등

3：고조파 억제 가이드 라인이란?인버터등의 고조파 발생 기기로부터의 고조파 전류가 전원측이나 동일 전력 계통에 접속되고 있는 것 외 기기에의 영향을 주기 위해, 헤세이 6년 9월에 통상 산업성(현：경제 산업성) 자원 에너지청으로부터, 고조파 억제 가이드 라인이 제정되었습니다.인버터는 전모량 기종이 「고압 또는 특별 고압으로 수전하는 수요가의 고조파 억제 대책 가이드 라인」의 적용 대상 기기입니다.「고압 또는 특별 고압으로 수전하는 수요가의 고조파 억제 대책 가이드 라인」의 개요고압 또는 특별 고압으로 수전하는 수요가에 있고, 고조파 발생 기기를 신설, 증설 또는 갱신할 때에 그 수요가로부터 유출하는 고조파 전류의 상한치를 규정한 것입니다.고조파 발생 기기가 이 가이드 라인으로 정하고 있는 등가 용량의 한도치나 고조파 유출 전류의 상한치를 넘는 경우는, 상한치를 넘지 않는 대책을 마련하는 것이 필요하게 됩니다.4：인버터 고조파 억제 지침이란?가이드 라인에 해당하지 않는 수요가에 대해서, 사단법인 일본전기공업회에서는, 종합적인 고조파 억제를 계발해 나간다는 견지로부터, 입력전압이 100 V클래스 또는 200 V클래스에서, 한편 입력 전류 20 A이하의 인버터에 대해 고조파 전류에 대한 지침을 마련하고 있습니다.이 지침에 대응하기 위해서 입력 리액터 또는 직류 리액터를 설치하는 것을 추천 하고 있습니다.모토다카조파 제어 지침은 아래와 같은 용량이 해당합니다.·단상 100 V클래스　0.75 kw이하·단상 200 V클래스　2.2 kw이하·삼상 200 V클래스　3.7 kw이하

5：고조파 억제 대책의 종류는?

종류대책 내용리액터의 설치인버터의 입력 측에 입력 리액터(ACL) 또는, 인버터의 직류부에 직류리액터(DCL)를 접속하는 것으로써, 고조파 유출 전류를 억제할 수 있습니다.고조파 억제유닛(SC7)의 설치입력전류를 정현파에 가깝게 되도록(듯이) 제어하는 PWM 컨버터입니다.고조파 억제 유닛(SC7)을 인버터와 조합해 사용하는 것으로써, 전원측의 고조파유출 전류를 억제할 수 있습니다.고조파 억제유닛(SB3)의 설치 입력전류를 정현파에 가깝게 되도록(듯이) 제어하는 정현파 PWM 컨버터입니다.고조파 억제 유닛(SB3)을 인버터와 조합해 사용하는 것으로써, 전원측의 고조파 유출 전류를 억제해, 회생시는 전원측에 회생 에너지를 반환하기 때문에, 에너지 절약이 됩니다.고조파 억제진상콘덴서 설비진상콘덴서와 직렬 리액터의 편성에 의한 진상콘덴서 설비를 설치하는 것으로, 고조파 전류를 흡수하는 효과가 있습니다.그 외수동(교류 필터)·능동 필터(액티브 필터)등을 사용해 고조파를 억제하는 방법이 있습니다.

참고) 선형회로 [線形回路, linear circuit] 전기회로에서 회로에 가한 전압과 회로를 흐르는 전류가 단순한 비례관계, 즉 선형방정식으로 표시되는 회로.본문↑ 선형회로와 비선형회로 /

인과성(因果性) ·불변성 ·직선성이라는 특징을 지닌다. 예를 들면 집중 상수회로가 있다. 이에 반해 회로의 전압과 전류가 단순한 비례관계로 표시될 수 없을 경우를 비선형 회로라 한다. 가령, 교류전원에 저항을 연결한 회로에서 전압이 5 V이고 저항이 1Ω이면 회로를 흐르는 전류는 5 A이며, 만일 전압이 2배인 10 V로 되면 전류도 2배인 10 A로 되어 전류는 전압에 비례한다. 그러나 회로에 흐르는 전류의 값에 따라 저항값이 변화하는 것이 있으면 전압이 2배가 되더라도 전류는 2배가 되지 않는다.

가해지는 전압 ·전류에 따라 값이 변화하지 않는 소자(素子:저항이나 인덕턴스 또는 용량 등)로 되어 있는 것이 선형회로이며, 변화하는 소자로 되어 있는 것이 비선형 회로라고 할 수 있다. 선형회로를 구성 ·해석하기 위한 기본적인 이론으로는 옴의 법칙, 키르히호프의 법칙, 중첩의 원리, 상반정리 등이 있다.

비선형회로 [非線形回路, nonlinear circuit]본문

저항의 양단에 발생하는 기전력은 그 저항에 흐르는

전류에 비례한다는 옴의 법칙에 따른 회로소자를

선형 회로소자라 하는 데 반해 비례관계가 없는

회로소자를 비선형 회로소자라 하며,

그런 소자를 포함한 회로를 비선형 회로라 한다.

예컨대, 다이오드나 배리스터(varistor), 철심을 넣은 코일(포화리액터 등) 등은 전류와 전압이 비례관계가 없다.

또, 보통 증폭기의 소자로 쓰는 트랜지스터나 진공관은 일반적으로 선형소자라 하지만

동작점에 따라 전류의 진폭을 크게 하면 비선형의 성질이 나타나게 된다.

비선형 회로는 발진회로 ·변조회로 ·증폭회로 ·펄스회로 등으로 광범위하게 응용된다.

한편, 회로가 선형회로이어야 할 곳에 비선형이 나타나면, 증폭회로에서는

변형이나 신호의 혼신이 일어나는 수도 있다.

선형회로에는 회로의 해석이나 합성 등 체계가 선 수학적 이론이 있지만,

비선형 회로에는 체계가 확립된 이론이 없고 해석이나 합성에도 어려움이 따른다.

이에 따라 수치계산에 의한 방법이나 근사법으로서 섭동법 ·평균화법 등을 해석법으로 많이 쓴다.

전기기기는 교류 전압원으로부터 전력을 공급받게 됩니다.

이렇게 전기기기는 전력을 공급받아 다른 에너지의 형태로 변환하거나 특정 목적의 일을 수행하게 되는데 이때 전기기기의 입력단 구조에 따라 입력 전류에 차이가 발생합니다.

입력전류 형태에 따라 전기기기를 구분하자면 아래의 그림 1과 같이 선형( 線形)부하와

비선형 부하로 구분지을 수 있습니다.

그림 1. 입력전류 형태에 따른 부하의 구분

(a) 선형부하의 예

(b) 비선형 부하의 예

그림 2. 선형부하와 비선형부하의 전원회로 단순화 회로 (등가회로 )

그림 2에서 볼 수 있듯이 선형부하의 입력전류는 정현파임에 반하여 비선형 부하의 입력전류는 주기적이나 정현파가 아닙니다 . 즉 , 비선형부하의 입력측 전류에는 고조파 성분이 포함되어 있습니다 .

반도체 기술의 발전으로 인하여 현재 대부분의 전기기기는 다이오드 , 트랜지스터 , 사이리스터에 의하여 구성된 전원회로를 가지고 있으며 점점 선형 부하에 비하여 비선형 부하의 비중이 급격히 증가되고 있는 추세이기 때문에 현재의 공장 , 빌딩 혹은 가정의 입력측 전류에는 매우 많은 고조파 성분이 포함된 상태입니다 .

위와같은 이유로 비선형 부하는 전력품질의 관점에서 보면 그림 3과 같이 고조파 전류원으로 볼 수 있으며 이로 부터 발생된 고조파 전류는 전원단으로 역류하게 됩니다.

그림 3. 고조파 관점에서의 등가회로

그림 3의 Ih는 비선형 부하(non-linear load)를 고조파 전류원(current source)으로 등가(equivalent)한 것이며 Zh는 고조파전류원의 소스 임피던스(source impedance)입니다.

또한 Vs는 발전소를 Zs는 송전선을 Zt는 주상변압기의 임피던스를 의미합니다.

국내의 전기 발전, 송전 및 배전은 최근까지 공기업이었던 한국전력에 의하여 통합관리되고 품질관리에 많은 투자를 하여 자유 경쟁 시장이었던 외국의 전력품질에 비하여 매우 훌륭한 것으로 평가받고 있습니다. 그림 3에서의 V1은 한국전력으로부터 공급받는 전원이라고 할 수 있습니다. 그러므로 국내에서 측정된 V1 전압은 매우 깨끗한 정현형태를 띄고 있으며 순간 정전이나 잡음도 거의 없는 훌륭한 전원이라고 할 수 있습니다.

그러나 앞서 말씀드렸던 바와 같이 최근 전력반도체 사용이 잦아짐에 따라 비선형 부하로 부터 발생된 고조파 전류가 전원 측으로 역류하면서 그림 3에서 변압기를 통과한 전압인 V2는 일그러진 형태를 띄는 경우가 늘어남에 따라 전압에도 고조파가 포함되게 됩니다. 이러한 V2에서의 고조파 크기가 커질수록 V1에 고조파 크기도 커지게 되며 심하면 도시전체에 고조파전압이 퍼지거나 배전소나 변전소에서의 정전, 열화등의 현상을 불러올 수 있습니다.

실제로 2003년 3월, 수도권의 한 변전소에서 일요일 특정시간대에 동일한 유형의 원인불명 고장이 반복적으로 발생해 수천호의 수용가가 정전피해를 입은 일을 정밀 규명한 결과, 전력수용가 측으로 부터 발생한 과다한 고조파 유입에 따른 것으로 드러났습니다.

결국, 전력회사가 전기사고의 원인이 아니라 그 전기를 사용하는 수용가가 원인이 될 정도로 고조파의 심각성이 드러난 것입니다.

게다가 국내에서도 2000년에 전력 도매 부분에서의 일부 자유화가 실시되어 일반전기사업자 뿐만 아니라 특정 규모 전기사업자에 의한 전력공급이 가능한 상태이며, "전기사업자에 의한 신에너지 등의 이용에 관한 특별조치법"의 제정에 따라 태양광이나 풍력에 의한 발전설비가 보급되는 추세에 있지만 신에너지에 의하여 생산되는 전력의 품질은 대형 원자력, 석탄, 가스발전소에서 생산하는 품질에 미치지 못하는 상태입니다. 그래서 새로운 발전시스템이 전력계통과 연계되어 동작하기 위해서는 전력 품질의 개선이 시급히 이루어져야 합니다.

이렇게 현재의 전력구조와 시장은 점점 복잡해 지고 있으며 이에 따라 기존보다 상대적으로 적은 고조파 전류, 전압에 의하여도 큰 사고나 장애가 발생할 확률이 높아지게 되고 있습니다.

비선형 부하(전기기기)는 종류 및 용량에 따라 차수별 고조파 발생량에 차이가 있습니다.

그래서 고조파 총량에 대한 수치로서 부하나 전원선의 고조파 크기 정도를 판단하는 기준으로 사용합니다. 이를 "전 고조파 왜형율(THD, Total Harmonic Distortion)"이라고 부르며 전압THD는 아래와 같은 수식으로 정의되어 있습니다.

위 식에서의 V의 밑숫자는 고조파 차수로서 1은 1차 고조파 즉, 기본파를 의미하고 2는 2차 고조파를 의미합니다. 전류의 경우도 마찬가지 수식을 적용합니다.

아래에 특히 그 중에 매우 사용빈도가 높고 그 용량이 커서 특히 고조파 장애를 유발시키는 대표적인 것들의 고조파 차수별 크기의 평균수치를 정리하였습니다.

1) UPS

HarmonicsPercent1100%32.1%524.5%78%91.4%전류 THD = 27.4%

2) Inverter

HarmonicsPercent1100%311.1%566.5%742%92.4%전류 THD = 80.9%

3) 단상정류기

HarmonicsPercent1100%390.1%574.5%735%912%전류 THD = 128.9%

특히, 무정전 전원장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)를 사용하였을 경우 상용전원(한국전력에서 공급하는 전원)에서 비상용전원(비상용 발전기나 UPS)으로 대체되면 전압 및 전류 전 고조파 왜형율(THD, Total Harmonic Distortion)이 커집니다

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