매사추세츠 공과대학(MIT)의 수학자 아서 매턱(Arthur Mattuck)은 “비선형성은 해결하기 어렵다는 것을 의미한다”고 말했다.그러나 비선형성이 전기 부하에 적용되는 경우 고조파 전류를 생성하고 전력 분배에 부정적인 영향을 미치고 비용이 많이 들기 때문에 해결해야 합니다.모터 및 드라이브 기술의 글로벌 제조업체이자 공급업체인 WEG의 유럽 및 중동 마케팅 매니저인 Marek Lukaszczyk가 인버터 애플리케이션에서 고조파를 완화하는 방법을 설명합니다.
형광등, 스위칭 전원 공급 장치, 전기 아크로, 정류기 및 주파수 변환기.이들 모두는 비선형 부하가 있는 장치의 예입니다. 즉, 장치가 갑작스러운 짧은 펄스의 형태로 전압과 전류를 흡수한다는 의미입니다.모터, 실내 난방기, 전원이 공급되는 변압기, 백열 전구와 같이 선형 부하가 있는 장치와는 다릅니다.선형 부하의 경우 전압과 전류 파형 간의 관계는 정현파이며 언제든지 전류는 옴의 법칙으로 표현되는 전압에 비례합니다.
모든 비선형 부하의 한 가지 문제는 고조파 전류를 생성한다는 것입니다.고조파는 일반적으로 전원 공급 장치의 기본 주파수(50~60Hz)보다 높고 기본 전류에 추가되는 주파수 구성 요소입니다.이러한 추가 전류는 시스템 전압 파형의 왜곡을 유발하고 역률을 감소시킵니다.
전기 시스템에 흐르는 고조파 전류는 다른 부하와의 상호 연결 지점에서 전압 왜곡 및 케이블 과열과 같은 다른 바람직하지 않은 효과를 생성할 수 있습니다.이러한 경우 총 고조파 왜곡(THD) 측정을 통해 전압 또는 전류 왜곡이 고조파로 인해 얼마나 많이 발생하는지 알 수 있습니다.
이 기사에서는 에너지 품질 문제를 일으키는 현상을 올바르게 모니터링하고 해석하기 위해 업계 권장 사항을 기반으로 인버터 애플리케이션에서 고조파를 줄이는 방법을 연구합니다.
영국은 ENA(Energy Network Association)의 EREC(Engineering Recommendation) G5를 송전 시스템 및 배전망의 고조파 전압 왜곡 관리를 위한 모범 사례로 사용합니다.유럽 ​​연합에서 이러한 권장 사항은 일반적으로 IEC 60050과 같은 다양한 IEC(International Electrotechnical Commission) 표준을 포함하는 전자기 호환성(EMC) 지침에 포함되어 있습니다. IEEE 519는 일반적으로 북미 표준이지만 IEEE 519는 개별 장치가 아닌 분배 시스템에 중점을 둡니다.
시뮬레이션이나 측정을 통해 고조파 수준이 결정되면 이를 최소화하여 허용 가능한 한도 내로 유지하는 여러 가지 방법이 있습니다.그러나 허용 가능한 한도는 무엇입니까?
모든 고조파를 제거하는 것은 경제적으로 실현 가능하지 않거나 불가능하기 때문에 고조파 전류의 최대값을 지정하여 전원 공급 장치 전압의 왜곡을 제한하는 두 가지 EMC 국제 표준이 있습니다.IEC 61000-3-2 표준은 정격 전류가 최대 16A(A)이고 위상당 75A 이하인 장비에 적합하고 IEC 61000-3-12 표준은 16A 이상의 장비에 적합합니다.
전압 고조파에 대한 제한은 공통 결합 지점(PCC)의 THD(V)를 ≤ 5%로 유지하는 것입니다.PCC는 배전 시스템의 전기 컨덕터가 고객 컨덕터 및 고객과 배전 시스템 간의 모든 전력 전송에 연결되는 지점입니다.
≤ 5%의 권장 사항이 많은 응용 프로그램의 유일한 요구 사항으로 사용되었습니다.그렇기 때문에 대부분의 경우 6펄스 정류기와 입력 리액턴스 또는 직류(DC) 링크 인덕터가 있는 인버터를 사용하는 것만으로도 최대 전압 왜곡 권장 사항을 충족하는 데 충분합니다.물론 링크에 인덕터가 없는 6펄스 인버터에 비해 DC 링크 인덕터가 있는 인버터(예: WEG 자체 CFW11, CFW700 및 CFW500)를 사용하면 고조파 방사를 크게 줄일 수 있습니다.
그렇지 않으면 여기서 소개할 인버터 애플리케이션에서 시스템 고조파를 줄이기 위한 몇 가지 다른 옵션이 있습니다.
고조파를 줄이는 한 가지 솔루션은 12펄스 정류기가 있는 인버터를 사용하는 것입니다.그러나 이 방법은 일반적으로 변압기가 이미 설치된 경우에만 사용됩니다.동일한 DC 링크에 연결된 여러 인버터의 경우;또는 새 설치에 인버터 전용 변압기가 필요한 경우.또한 이 솔루션은 일반적으로 500kW(킬로와트)보다 큰 전력에 적합합니다.
또 다른 방법은 입력에 수동 필터가 있는 6펄스 능동 전류(AC) 구동 인버터를 사용하는 것입니다.이 방식은 MV(Medium), HV(High Voltage), EHV(Extra High Voltage) 간 고조파 전압을 서로 다른 전압 레벨로 조정할 수 있으며 호환성을 지원하고 고객의 민감한 장비에 대한 악영향을 제거합니다.이것은 고조파를 줄이기 위한 전통적인 솔루션이지만 열 손실을 증가시키고 역률을 낮춥니다.
이것은 우리에게 고조파를 줄이는 보다 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 18펄스 정류기가 있는 인버터를 사용하거나 특히 18펄스 정류기와 위상 편이 변압기를 통해 DC 링크로 전원을 공급받는 DC-AC 드라이브를 사용합니다.펄스 정류기는 12펄스이든 18펄스이든 동일한 솔루션입니다.이는 고조파를 줄이기 위한 전통적인 방법이지만 비용이 높기 때문에 일반적으로 변압기를 설치했거나 새로운 설치를 위해 인버터용 특수 변압기가 필요한 경우에만 사용됩니다.전력은 일반적으로 500kW보다 큽니다.
일부 고조파 억제 방법은 열 손실을 증가시키고 역률을 낮추는 반면 다른 방법은 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다.권장하는 좋은 솔루션은 6펄스 AC 드라이브와 함께 WEG 능동 필터를 사용하는 것입니다.다양한 기기에서 발생하는 고조파를 제거하는 탁월한 솔루션입니다.
마지막으로 전력이 그리드로 재생될 수 있거나 여러 모터가 단일 DC 링크로 구동되는 경우 다른 솔루션이 매력적입니다.즉 AFE(Active Front End) 회생 구동과 LCL 필터를 사용한다.이 경우 드라이버는 입력에서 활성 정류기를 가지며 권장 제한을 준수합니다.
WEG 자체 CFW500, CFW300, CFW100 및 MW500 인버터와 같이 DC 링크가 없는 인버터의 경우 고조파를 줄이는 핵심은 네트워크 리액턴스입니다.이는 고조파 문제를 해결할 뿐만 아니라 에너지가 인버터의 반응 부분에 저장되어 비효율적으로 되는 문제도 해결합니다.네트워크 리액턴스의 도움으로 공진 네트워크에 의해 로드된 고주파 단상 인버터를 사용하여 제어 가능한 리액턴스를 실현할 수 있습니다.이 방법의 장점은 리액턴스 소자에 저장된 에너지가 적고 고조파 왜곡이 적다는 것입니다.
고조파를 다루는 다른 실용적인 방법이 있습니다.하나는 비선형 부하에 비해 선형 부하의 수를 늘리는 것입니다.또 다른 방법은 5%와 10% 사이의 서로 다른 전압 THD 제한이 있도록 선형 및 비선형 부하에 대한 전원 공급 시스템을 분리하는 것입니다.이 방법은 비선형 및 공진 플랜트 및 장비의 고조파 전압 왜곡을 평가하는 데 사용되는 위에서 언급한 엔지니어링 권장 사항(EREC) G5 및 EREC G97을 준수합니다.
또 다른 방법은 펄스 수가 더 많은 정류기를 사용하여 여러 개의 2차 스테이지가 있는 변압기에 공급하는 것입니다.여러 개의 1차 또는 2차 권선이 있는 다중 권선 변압기는 필요한 출력 전압 레벨을 제공하거나 출력에서 ​​여러 부하를 구동하기 위해 특별한 유형의 구성으로 서로 연결될 수 있으므로 배전 및 유연성 시스템에서 더 많은 옵션을 제공합니다.
마지막으로 위에서 언급한 AFE의 회생 구동 동작이 있다.기본 AC 드라이브는 재생이 불가능합니다. 즉, 전원으로 에너지를 반환할 수 없습니다. 이는 특히 충분하지 않습니다. 일부 애플리케이션에서는 반환된 에너지를 복구하는 것이 특정 요구 사항이기 때문입니다.회생 에너지를 AC 전원으로 되돌려야 하는 경우 이것이 회생 드라이브의 역할입니다.단순 정류기는 AFE 인버터로 대체되며 이러한 방식으로 에너지를 회수할 수 있습니다.
이러한 방법은 고조파를 방지하기 위한 다양한 옵션을 제공하며 다양한 유형의 배전 시스템에 적합합니다.그러나 그들은 또한 다양한 응용 분야에서 에너지와 비용을 크게 절약할 수 있으며 국제 표준을 준수합니다.이러한 예는 올바른 인버터 기술이 사용되는 한 비선형성 문제를 해결하는 것이 어렵지 않음을 보여줍니다.
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