고조파는 전기 파형에서 발생하는 고주파 왜곡 현상으로, 산업용 전력 시스템에 있어 중요한 문제입니다. 이러한 고조파는 기본 주파수의 정수 배에서 발생하며(예: 3차, 5차, 7차 고조파), 전압 및 전류 품질을 저하시켜 효율성 감소와 장비 손상으로 이어질 수 있습니다.
가변 주파수 구동장치(VFD)나 스위칭 모드 전원장치(SMPS)와 같은 장비가 사용되면 회로를 흐르는 전기의 정현파 형태가 교란됩니다. 이후 일어나는 일은 흥미로운데, 이러한 전기적 교란은 엔지니어들이 파형 노이즈라고 부르는 잡음을 발생시키며 이는 전체 시스템에 퍼져나갑니다. 고조파 수준이 5%를 초과하는 건물의 경우, 체계 내에서 발생하는 추가적인 무효 전력으로 인해 낭비되는 에너지가 약 12~18% 증가합니다. 지난해 발표된 고조파 영향에 관한 연구에 따르면 이러한 원치 않는 주파수는 주 전기 신호에 그대로 섞여 전체 설치물의 전압과 전류 패턴을 교란시킵니다.
2023년 자동차 공장 12곳에 대한 감사 결과, 이들 기술을 사용하는 시설이 2~3배 높은 고조파 수준을 보였습니다. 수동 부하에 의존하는 시설에 비해
비선형 장비는 전류가 매끄러운 정현파가 아닌 급격한 펄스 형태로 흐르게 하며, 이로 인해 다음 현상이 발생합니다:
이 효과는 절연 붕괴를 가속화하고 보호 리레의 방해가 되는 트리핑을 유발합니다. 2024년 IEEE 보고서에 따르면, 조화적 감축을 무시하는 시설은 34% 더 높은 유지보수 비용 을 5년 동안 활성 필터링 솔루션을 사용하는 시설에 비해 지출합니다.
이러한 시스템 전반의 취약성은 왜 산업 현장에서 active Harmonic Mitigators 를 도입하여 전력 품질을 동적으로 안정화시키는지 보여줍니다.
고조파 저감 장치는 디지털 신호 처리 기술을 통해 전압 및 전류 파형을 추적합니다. 이러한 시스템은 시스템 내 비선형 부하에 의해 유발된 성가신 고조파 왜곡을 감지함으로써 작동합니다. 일단 감지되면 세기에서는 일치하지만 방향은 반대로 보정 전류를 보내 외란이 되는 고조파를 상쇄시킵니다. 표준 480볼트 산업용 장치를 예로 들어 보겠습니다. 설치 전 THD 수준이 약 25% 정도일 수 있습니다. 이러한 저감 장치를 설치한 후 대부분의 시설에서 수치가 5% 미만으로 떨어지며 이는 2022년 최신 IEEE 519 가이드라인에서 요구하는 기준치입니다.
최신 시스템은 실시간으로 고조파 주파수를 추적하는 적응형 알고리즘을 사용하여 부하 변동에 밀리초 이내로 보상하도록 조정합니다. 이러한 동적 기능은 고조파 프로파일이 가변적인 경우 대응할 수 없는 수동 필터를 능가합니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.
고급 제어 로직을 통해 특정 고조파의 선택적 억제와 동시에 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다. 위상 동기 루프(PLL) 동기화는 불균형 전력망 조건에서도 파형 정렬의 정확도를 보장합니다. 다중 장치 설치 시, 상호 연결된 제어 시스템이 장비 간 고조파 데이터를 공유하여 대규모 산업용 네트워크에서 성능을 최적화합니다.
수동형 고조파 필터는 특정 주파수에 맞춰 조정된 고정 인덕터-커패시터(LC) 회로에 의존하므로, 그 효과는 안정적이고 예측 가능한 부하에만 제한됩니다. 반면, active Harmonic Mitigators 전력 전자 및 실시간 알고리즘을 사용하여 넓은 주파수 대역에서 고조파 왜곡을 감지하고 이에 대응합니다.
| 기준 | 수동형 필터 | Active Harmonic Mitigators |
|---|---|---|
| 응답 시간 | 정적 (밀리초 수준 지연) | 동적 (마이크로초 수준 보정) |
| 적응성 | 사전 정의된 고조파 프로파일에만 해당 | 변동하는 부하 조건에 따라 조정됨 |
| 설치 유연성 | 정확한 임피던스 매칭 필요 | 다양한 시스템 구성과 호환 가능 |
수동 필터는 고조파 성분이 빈번하게 변하는 가변 주파수 구동(VFD) 및 서보 시스템이 있는 환경에서 어려움을 겪습니다. 고정된 튜닝으로 인해 다음이 발생할 수 있습니다.
액티브 저감 장치는 파형을 지속적으로 모니터링하고 반대 위상의 고조파를 주입함으로써 동적 환경에서 우수한 성능을 발휘합니다. 이의 장점은 다음과 같습니다.
예를 들어, 자동차 제조 공장에서 능동필터가 실도입 사례에서 최소한의 유지보수로 92%의 고조파 억제 성능을 달성한 바 있음.
IEEE 519 표준에 따르면 산업 시설은 총고조파왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 일정한 한계 이내로 유지해야 합니다. 전압(THDv)의 경우 약 5%, 전류(TDD)는 약 8%가 기준입니다. 이 수치가 기준을 초과하면 곧바로 문제가 발생하기 시작합니다. 장비가 과열되기 쉬우며, 커패시터가 손상될 수도 있고, 적절한 보상 시스템이 없다면 공장에서 에너지의 10~15%를 낭비할 수 있습니다. 바로 이때 액티브 고조파 저감 장치가 활약합니다. 이러한 장치는 시스템 내에서 발생하는 현상을 지속적으로 모니터링하여 일반적인 측정 방식으로는 감지하지 못하는 일시적인 고조파까지 실시간으로 포착합니다. 마치 표준 점검에서는 놓치기 쉬운 전력 품질 문제의 실시간 감시자처럼 작동하는 것입니다.
셔트 구성으로 연결된 능동형 고조파 저감 장치는 비선형 부하를 다루는 시스템에서 총고조파왜곡률(THD)을 최대 75~90%까지 감소시킬 수 있다는 지난해 연구 결과가 발표된 바 있습니다. 이 연구는 반도체 제조 시설을 대상으로 수행되었습니다. 이러한 장치는 고조파 왜곡 문제가 감지된 후 단지 2밀리초 만에 작동을 개시하는데, 이는 일반적으로 반응에 100~500밀리초가 소요되는 기존 수동형 필터에 비해 훨씬 빠른 속도입니다. 산업 현장에서 로봇이 부품을 조립하거나 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 하루 종일 핵심 설비 운영을 관리하는 환경에서는 전력 품질을 일관되게 유지하는 데 있어 이러한 속도 차이가 매우 중요합니다.
Tier-1 자동차 제조 공장은 능동형 고조파 저감 장치 설치 후 고조파로 인한 다운타임을 82%까지 줄였습니다.
| 매개변수 | 설치 전 | 설치 후 | 준수 표준 |
|---|---|---|---|
| 전압 THD (THDv) | 7.2% | 3.8% | IEEE-519 ±5% |
| 전류 TDD | 12.1% | 4.9% | IEEE-519 ±8% |
| 에너지 손실 | 14% | 6.2% | – |
시스템의 적응형 필터링 알고리즘은 모든 생산 교대 시간 동안 0.98의 전력 인자를 유지하면서 120개 이상의 VFD에서 발생하는 고조파를 제거했습니다. 변압기 스트레스가 줄어들고 커패시터 고장이 완전히 해소됨에 따라 연간 유지보수 비용이 37% 감소하였습니다.
하이브리드 능동 필터는 전통적인 수동 부품과 현대의 고조파 제거 기술을 결합하여 다양한 주파수 범위를 처리합니다. 이러한 시스템은 반도체 제조 시설과 같은 2메가와트(MW) 이상의 대규모 전력 어플리케이션에 매우 효과적으로 작동합니다. 이 시스템은 전압 총고조파왜곡(THD)을 3% 이하로 낮추어 IEEE 519-2022 표준이 허용하는 최대 5%보다 훨씬 우수한 성능을 제공합니다. 수동 부품은 저차 고조파를 처리하는 반면, 능동 부품은 50차 고조파까지의 성가신 고주파를 제어하는 데 작동합니다. 이러한 구성은 공장 현장에서 전기적 방해로 인해 문제가 발생할 수 있는 정밀 CNC 머신 및 기타 자동화 장비를 보호하는 데 도움이 됩니다.
최근의 능동형 고조파 제거 장치는 모듈식 설계로 제공되어 기존 시스템에 설치하기가 훨씬 더 용이합니다. 이러한 장치는 IEC 61850와 같은 일반적인 표준을 통해 기존 전기 패널에 기존 장비와 함께 연결됩니다. 이 구조는 개별 기계의 소규모 수리부터 전체 시설에 걸친 종합적인 제어까지 다양한 규모에 대응할 수 있게 해줍니다. 2023년의 최근 산업 보고서에 따르면, 인프라를 완전히 교체하는 대신 이러한 모듈식 솔루션을 선택한 기업은 설치 비용을 약 34% 절감한 것으로 나타났습니다. 더욱 인상적인 점은 이들 장치가 다양한 유형의 부하가 동시에 가동되는 시설에서도 고조파 왜곡을 약 91%까지 줄이는 데 성공했다는 것입니다.
고급 저감 장치는 새로운 장비를 추가할 때 공진을 방지하기 위해 지속적인 임피던스 매칭을 사용합니다. 예측 분석을 통해 커패시터의 성능 저하와 변압기의 열 프로파일을 추적함으로써, 고에너지 소비 설비의 자산 수명을 7~12년 연장할 수 있습니다. 이러한 시스템을 사용하는 시설은 파형 순도의 실시간 모니터링을 통해 연간 예기치 못한 정전 사고를 28% 줄인 것으로 보고되었습니다.
고조파는 기본 주파수의 정수 배 주파수에서 발생하는 전기 파형 왜곡으로, 전력 품질을 저하시키고 산업 시스템에서 비효율성과 장비 손상이 발생할 수 있습니다.
산업 시설에서는 능동형 고조파 저감 장치를 사용하여 전력 품질을 동적으로 안정화시키고 유지보수 비용을 절감하며 고조파 왜곡으로 인한 장비 손상을 방지합니다.
능동형 고조파 저감 장치는 실시간 알고리즘을 사용하여 고조파 왜곡을 동적으로 상쇄함으로써 정적이고 고정 주파수인 수동 필터에 비해 더 빠른 반응 속도와 적응성을 제공합니다.
자동차 산업, 반도체 제조업, 자동화 설비가 있는 시설과 같이 비선형 부하가 큰 산업에서 고조파 저감의 혜택을 크게 받을 수 있습니다.
핫 뉴스2024-11-01
2024-11-01
2024-11-01
EN
