산업별 어플리케이션

과제

값싸고 깨끗한 에너지는 오늘날 제품의 더 높은 효율성을 추구하기 위한 지속 가능한 개발 목표입니다. 주거용 및 상업용 건물에 사용되는 가전 제품 및 장비에 대한 효율성과 전력 품질 표준은 에너지 비용을 줄이기 위해 설계되었습니다. 신뢰할 수 있는 전력을 생산하는 것은 항공 우주, 군사 및 대기 전력 응용 분야와 같은 중요한 발전 시스템에서 가장 중요합니다. 발전 시스템에 대한 전력 표준은 일반적으로 강력한 전력 네트워크를 보장하는데 중점을 둡니다. 전력 네트워크의 효율성과 신뢰성은 시스템의 전력 품질을 증가시킴으로써 극대화 됩니다. 고조파는 전력 품질 평가 항목 중의 하나이며 고조파를 측정하고 억제하기 위한 방안 및 대책을 마련해야 전력 네트워크의 효율성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

필수품 : 파워 아날라이저

고조파를 정확하게 측정하려면 기본 주파수와 고조파 모두 정확도 높은 고정밀 계측기가 필요합니다.(그림 1, 그림 2) YOKOGAWA는 이러한 요구를 해결하기 위해 다양한 파워 아날라이저와 파워 스코프를 제공합니다.

정확한 설정

다음은 고조파를 정확히 측정하기 위한 설정 항목입니다 :

결선

계측기의 결선에 대한 부분은 “Getting Started” 가이드를 참조하십시오. 아래 내용은 단상 부하의 경우입니다.

결선이 끝나면 사용자는 파워 아날라이저의 설정 메뉴에서 결선 방식을 선택해야 합니다. 계측기 또는 소프트웨어에서 선택 가능합니다. 

전압과 전류 레인지 – Auto

파워 아날라이저는 부하 용량에 적합한 정확한 측정을 위해 전압, 전류에 대해 10-15개의 레인지 설정 있습니다. 레인지를 잘못 선택하면 전압 및 전력 측정 값의 정확성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 

Auto 레인지 설정은 모든 신호에 대핸 최적의 정확도가 적용되는 것을 보장하기 위해 가장 적합한 레인지를 자동으로 결정해 줍니다. 여기에는 입력 신호의 모양(PWM-정현파, 노이즈-정상 파형)을 고려하도록 Crest Factor 설정을 자동으로 조정하는 것도 포함됩니다. 측정 신호의 레벨이 변하지 않는 경우는 Auto 기능 대신 고정 레인지를 사용할 수도 있습니다.

스케일링 – CT 스케일링과 VT 스케일링

대전류를 측정할 때 일반적으로 CT를 사용하며 고전압을 측정할 때는 VT 또는 전압 분배기를 사용합니다. CT 또는 VT를 사용할 때 파워 아날라이저에서 그에 맞는 스케일링 비율을 설정해 주어야 합니다. 스케일링을 설정하지 않으면 전력 측정 값이 전혀 다른 값이 되어 버리는 반드시 스케일링을 해주셔야 합니다.

동기 소스

파워 아날라이저는 정확한 전력 확도를 위해 파형의 주기(기본 주파수)를 정밀하게 측정해야 합니다. 측정 주기가 만들어지는 신호를 동기 소스라고 합니다. 파워 아날라이저는 이 측정 주기 동안의 전류와 전압 측정 값을 사용하여 유효 전력, 실효값, 고조파 등을 연산합니다. 동기 소스는 파워 아날라이저에 입력 되는 신호 중 가장 깨끗한 정한파를 선택해서 사용합니다. 일반 적인 제품의 경우 동기 소스는 전압으로 선택하면 되며 인버터와 같은 전력 변환 부하에서는 전류 파형을 동기 소스로 선택합니다. 

주파수 필터

동기 소스에서 주기를 정확하게 측정하려면 제로 크로싱 포인트 즉 신호가 제로점을 기준으로 상승 / 하강 엣지가 두 번 이상 크로싱 되지 않는 것이 중요합니다. 주파수 필터는 노이즈가 기본 주파수의 제로 크로스 센싱에 영향을 미치지 않도고 해 줍니다. 이는 고조파 분석에 필수적입니다.

PLL (Phase-Locked Loop) 소스

고조파는 기본 주파수의 정수 배인 주파수 전압 및 전류로 정의됩니다. 파워 아날라이저는 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 각각의 고조파가 어느 정도 분포되어 있는지 확인합니다. FFT의 분해능은 샘플링 레이트를 FFT 데이터수로 나눈 값으로 정의됩니다. 파워 아날라이저는 FFT의 분해능이 기본 주파수의 정수배에 해당하는지 확인하기 위해 실시간으로 고조파 측정을 위해 실시간으로 고조파 샘플링 레이트를 조정해야 합니다. 파워 아날라이저는 기본 주파수를 추적하고 적절한 샘플링 레이트를 생성하기 위해 PPL 회로를 사용합니다. PLL 회로의 설정은 전압 또는 전류일 수 있습니다. 일반적으로 계통에 연결되 시스템의 경우 전압이고 인버터 구동 모터의 경우 전류입니다.

고조파 차수와 종합 고조파 왜형율 THD

고조파 차수

고조파 차수 설정은 계산되는 고조파 왜형율의 범위를 결정합니다. 이 설정에 따라 차수별 고조파의 함유량 및 종합 고조파 왜형률이 다르게 됩니다.

종합 고조파 왜형률 (THD)

THD는 기본 주파수 또는 전고조파 합성 rms 값과 고조파 값과의 비율입니다. 일반적으로 50차까지의 고조파 성분을 고려하지만 인터하모닉(중간 고조파)성분은 제외합니다. 필요한 경우 50차보다 큰 고조파 성분이 포함될 수 있습니다. 백분율이 높을 수록 파형은 왜곡됩니다. THD에 대한 두 가지 파워 아날라이저의 설정은 방정식의 분모를 CSA 또는 IEC에서 정의한 값으로 선택할 수 있습니다. 

라인 필터와 고조파 필터

라인 필터

파워 아날라이저에 입력되는 전도, 방사 노이즈는 정확한 전력 측정 값을 얻는 데 방해가 됩니다. 이러한 노이즈를 억제하기 위한 한 가지 방법은 파워 아날라이저의 라인 필터 기능을 사용하는 것입니다. 이 필터는 전압, 전류 측정 입력단과 직렬 연결이기 때문에 차단 주파수를 설정하면 차단 주파수 이상의 노이즈는 제거됩니다 .앨리어싱을 방지하기 위한 차단 주파수는 1MHz입니다. 하지만 이상적인 차단 주파수 설정은 특정 측정 조건에 따라 달라질 수 있습니다.

예를 들어 DC 버스 단의 신호를 측정할 때 예상되는 DC 리플과 가까운 주파수를 설정하는 것이 적절합니다. 마찬가지로 외부 전류 센서를 사용할 때 외부 센서 주파수 대역폭 이상으로 들어오는 신호는 노이즈가 될 수 있으므로 해당 센서의 주파수 대역폭과 가까운 주파수를 차단 주파수로 설정하는 것이 좋습니다. (예: LEM CT의 주파수 대역 100kHz) 

고조파 필터

고조파 필터는 파워 아날라이저에서 고조파 측정에만 사용되는 특수 기능입니다. 이 필터는 다른 모든 측정과 병렬로 연결되어 있어 고조파 차수 또는 종합 고조파 왜형률에만 영향을 미칩니다 이 필터는 FFT 연산 시 PLL에 적용되는 다양한 샘플링 레이트로 인해 고조파 측정에서 발생 가능한 앨리어싱을 방지합니다. 이 필터는 측정해야 하는 최대 고조파 차수보다 조금 높게 설정하면 좋습니다. 

고조파 연산

유저 정의 연산을 사용하면 사용자가 측정 후 측정 값을 엑셀에서 연산하는 후처리 시간을 줄여 측정 효율성을 높일 수 있습니다. 그림 15와 그림 16은 총 수요 왜곡(TDD)에 대한 IEEE-519 정의와 구형 예를 보여줍니다. TDD는 최대 수요 전류(최대 부하 전류)의 백분율로 표시되는 고조파 항목입니다. TDD 연산식과 THD 연산식의 차이는 분모인  IL(최대 수요 전류 또는 최대 부하 전류)입니다.  IL은 15~30분 동안 측정한 최대 전류의 평균값입니다.

측정값 표시

고조파 측정은 파워 아날라이저에서 다양한 방법으로 표시할 수 있습니다. 고조파 표시(그림 17), 차수별 고조파 표시(그림 18), 차수별 고조파를 바그래프로 표시해 줍니다.