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제 목 : 고조파와 고주파, 부하별 전류파형과 고조파 전류 왜형율

글쓴이 : 관리자 등록일 : 2007-03-31 16:07 조회 : 16889

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우리나라에서 사용하고 있는 교류 주파수는 60 Hz가 대부분이나 국가와 지역별로 50 Hz를 사용하는 곳도 많습니다. 고조파를 말할 때 기본이 되는 주파수가 있는데 50 Hz나 60 Hz를 기본파 혹은 기본주파수라고 부릅니다.
고조파는 기본주파수에 대해 2배, 3배, 4배와 같이 정수의 배에 해당하는 물리적 전기량을 말합니다.
기본파가 60 Hz인 경우 고조파 주파수는 다음 표와 같습니다.

표) 고조파와 주파수

기본파	제2고조파	제3고조파	제4고조파	제5고조파	제6고조파	제7고조파	제8고조파	제9고조파	연속 증가...
50 Hz	100 Hz	150 Hz	200 Hz	250 Hz	300 Hz	350 Hz	400 Hz	450 Hz	500 Hz
60 Hz	120 Hz	180 Hz	240 Hz	300 Hz	180 Hz	420 Hz	480 Hz	540 Hz	600 Hz

사전적 의미의 Harmony는 음악의 화성, 화음을 나타내거나 조화를 뜻하는데 반해 Harmonic은 전기에서 고조파를 뜻합니다.
이 고조파는 안정된 정현파가 일그러진 것으로서 별로 달갑지 않다는 느낌을 갖게 될 것입니다.
그렇다면 이런 고조파는 왜 발생하는 것일까?
원래 한전과 같은 전력회사로부터는 고조파가 보내지지 않습니다. 가정에서 사용하는 개인용 컴퓨터로부터
오디오, 세탁기, TV, 비디오, FAX 기기에 이르기까지 거의 모든 가전제품은 교류전력을 그대로 사용하지 않고 직류로 변환하여 사용하거나 정현파의 일부를 사용하게 됩니다.
특히 산업용의 직류 정류기 전원장치나, DC 모터 속도제어장치, 인버터 장치 등은 사용전력이 매우 크기때문에 파급효과도 커지게 됩니다.

다음 표에서 보면 가전제품에 해당되는 것으로 첫째 열의 단상 정류 전원장치(Single Phase Power Supply)가 있는데, 교류를 직류로 바꾸어 사용하는 과정에서 입력측의 전류가 크게 일그러져 있음을 알 수 있습니다.

표) 부하의 종류별 전류파형과 고조파 전류 왜형율

Type of Load	Typical Waveform	Current Distortion	Weighting Factor(Wi)
Single Phase Power Supply		80% (high 3rd)	2.5
Semiconverter		high 2nd, 3rd, 4th at partial loads	2.5
6 Pulse Converter, capacitive smoothing, no series inductance		80%	2.0
6 Pulse Converter, capacitive smoothing, with series inductance>3% or dc drive		40%	1.0
6 Pulse Converter with large inductor for current smoothing		28%	0.8
12 Pulse Converter		15%	0.5
ac Voltage Regurator		varies with firing angle	0.7
Fluorescent Lighting		20%	0.5

이 전류를 퓨리에 급수라는 수학적기법으로 분석하면 기본파 주파수를 포함하여 이것의 2배, 3배, 4배, 5배, 7배 ----- 등의 주파수가 전기적으로 겹쳐져 있는 것을 알 수 있습니다. 이것을 문제의 고조파라 합니다.
통상 3, 5, 7과 같이 기수의 배수가 많으나 장치에 따라 기수와 우수 혹은 비정수 고조파를 발생시키는 기기도 많습니다. 그 아래 것들은 산업용 전기장치에 사용되는 것입니다. 보시는 바와 같이 장치에 따라서 발생되는 고조파 특성이 현저하게 다릅니다.

이처럼 고조파는 교류를 직류로 변환하는 장치나 교류 아아크로, 형광등과 같은 방전등, 가전제품 등 대부분의 전기장치에서 필연적으로 발생되는 것입니다.

고조파가 발생을 하더라도 전기적인 장해가 없다면 오늘날 이슈가 되지않았을 것입니다. 고조파를 인식하게 된 역사를 보면 1910년부터 60년대 사이에 대형 전기화학공장과 제강공장을 중심으로 고조파 전류를 규제하게 된 것으로부터 시작되었습니다. 60년대에는 모터 속도제어의 대부분이 MG-set 혹은 권선형 AC 전동기를 사용했으나 유지보수의 문제로 기계식의 DC 스위칭 제어 방식이 도입되었습니다.
이 기계식의 스위칭 방식에서도 출력 제어를 위한 정확한 타이밍 제어의 어려움과 접점부의 아아크 열화 등의 문제가 발생되어 정지형의 수은정류기와 셀레늄(selenium)정류기, 실리콘정류기가 실용화 되었고 오늘날의 사이리스터(SCR)가 개발되었습니다. 사이리스터 응용기술의 급속한 발달로 보다 광범위한 부문에서 DC 및 AC 모터의 속도제어가 가능하게 되었고 특히 70년대에는 급격한 신장세를 보여 정지형(전력용 반도체 소자)전력변환장치 부하가 전산업 부문으로 확산되게 되었습니다.

이러한 변환장치는 크게 두 가지 문제 유형을 보이는데
첫째, 고조파 전류를 발생시켜 계통으로 유입시키고,
둘째, 지극히 낮은 역률을 나타내며,
역률 보상용 콘덴서 뱅크에 과대한 고조파 전류를 유입 시키는 것입니다.

고조파와 고주파 범위

고조파의 주파수 범위 : 30Hz ~ 수 kHz
고주파의 주파수 범위 : 수십 kHz 이상

IEEE가 발표한 고조파에 의한 피해

고조파 : 기본파 3rd 5th 7th 11th 13th 실효치 THD Form Factor 엑셀 분석 그래프

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