산업별 어플리케이션

개요

리액터는 돌입 전류의 억제나 고조파 억제 등을 위한 유도 코일을 사용한 부품입니다. 전력 계통 분야나 인버터/컨버터 등 파워 일렉트로닉스 분야에서는 리액터라고 부르며 전자 회로 등 전자 부품 분야에서는 인덕터라고 부릅니다. (표 1)

최근에는 태양광 발전이나 풍력 발전의  파워 컨디셔너,  EV용 인버터 등의 성능 향상 요구가 높아지고 있으며 그 내부의 승압 컨버터에 사용되는 리액터는 중요한 부품입니다.

                                                                                                                                   표 1 리액터와 인덕터 비교

리액터의 종류와 용도

리액터는 구조나 접속 방식, 사용 목적 등으로 분류 되지만 전기적으로는 AC 리액터와 DC 리액터의 2종류로 분류됩니다.

AC 리액터

목적：돌입 전류 보호, 고조파 억제 및 역률 개선

인버터와 같은 전력 변환기의 입력측 또는 출력측에 연결됩니다. 입력측에 설치하면 인버터로 들어오는 돌입전류를 보호할 수 있고 출력측에 설하면 AC 신호에 포함되는 고조파를 억제할 수 있습니다.

전류의 고조파를 억제함으로써 역률 개선을 기대할 수 있으며 서지 전압 또한 억제 효과가 있습니다.

DC 리액터

목적：전류 평활와 및 고조파 억제

DC회로에 흐르는 펄스 모양 또는 맥동하는 전류의 평활화와 전류의 고조파 성분을 억제할 수 있습니다.

승압/강압 초퍼 회로에서는 ON/OFF 듀티비에 따라 입력된 DC전압이 승압 또는 강압되며 승압/강압의 열쇠가 되는 부품이 DC 리액터입니다. 초퍼 회로 ON/OFF시 전류를 흘려주어  듀티비에 따른 출력 전압을 일정값으로 만들어 줍니다.

리액터의 특성 파악

이상적인 리액터(또는 인덕터)의 경우 리액턴스를 유도성 리액턴스라고 하며  XL로 나타냅니다.  XL=2πfL로 표시되면 전류의 위상은 전압에 비해  90° 느립니다.(지상)

실제의 리액터는 저항 성분이나 기생 용량을 가지고 있으며 온도 변화등을 포함한 환경의 영향도 평가할 필요가 있습니다. 따라서 계측기를 통한 정확한 특성 파악이 필수적입니다.

과제 / 요구 사항

실제 가동 상태에서의 고주파 구동 리액터의 측정

전자 부품의 저항, 커패시턴스, 인덕턴스와 임피던스, 리액턴스를 측정하는 계측기에는 LCR미터와 임피던스 아날라이저, 네트워크 아날라이저를 사용합니다.(표2) 이 계측기들은 내부 신호원의 정현파를 전자 부품에 인가해서 측정하기 때문에 실제 가동 상태에서의 손실 및 고조파를 측정할 수 없습니다. 또한 입력 신호에 DC 성분이 있느 경우 측정기의 입력 채널이 포화되거나 파손될 우려가 있습니다.

예를 들어 철심 구조의 리액터에서 입력 신호 레벨에 따른 자속 밀도의 변화를 포함한 실제 가동 상태에서의 측정이 필요합니다. 실제 가동 상태에서의 리액터 측정은 주파수 대역에 따라 다르지만 파워 아날라이저가 가장 적합합니다.

실제 가동 상태에서의 평가 항목은 다음과 같습니다.

폭넓은 대역폭 및 고속 샘플링의 필요성

스위칭에 사용되는 구형파(방형파)에는 DC 성분과 함께 고차수의 고조파 성분이 포함되어 있습니다. n차수의 고조파 레벨은 1/n이며 11차 이후에는 －20dB（1/10）이하가 됩니다. 따라서 구형파 측정에서는 DC와 함께 고조파 측정을 위해 기본 주파수의 10~20배의 대역폭을 측정할 수 있는 계측기가 필요합니다. 예를 들어 100kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 시스템의 경우 1~2MHz이상의 대역폭이 필요합니다. 특히 구형파의 상승구간과 하강 구간이 매우 가파르게 변화합니다. 따라서 고정밀로 전력값을 측정하기 위해서는 이러한 구형파를 정확하게 디지털 값으로 변환해야 하기 때문에 폭넓은 대역폭과 함께 고속 샘플링이 필요합니다.

반면 측정 대상의 대역폭 대비 측정 대역폭이 너무 넓을 경우 불필요한 노이즈의 영향을 받을 수 있습니다. 상황에 따라 필터 또는 평균 기능을 적절히 활용할 필요가 있습니다.

고전압・대전류 측정

전력 계통이나 파워 일렉트로닉스 분야의 리액터는 고전압・대전류이기 때문에 전압・전류를 입력할 수 있는 파워 아날라이저와 프로브, 전류 센서 및 노이즈나 측정 오차를 줄이는 접속이나 배선이 필요합니다. 특히 고주파 구동 리액터는 DC 성분도 중첩되어 있기 때문에 DC도 측정 가능한 센서가 필요합니다.

저역률에서의 측정

리액터의 전압・전류의 위상차는 거의 90°로 역률이 거의 제로에 가까운 상태입니다. 파워 아날라이저는 측정 시 약간의 위상 오차에서도 측정 결과에 크게 영향을 줍니다. 저역률에서도 고정밀 측정이 가능한 사양과 전류 센서를 포함한 위상차 보정 기능을 가진 파워 아날라이저를 선정할 필요가 있습니다.

                              표 2 리액터 측정이 가능한 계측기 비교

제안 / 솔루션

YOKOGAWA PX8000과 WT5000은 실제 가동 상태에서의 리액터 손실 및 임피던스 측정이 가능합니다.

파워 아날라이저의 측정 대역

50/60Hz 전원 계통용 리액터는 측정 대역 1MHz의 WT5000으로 충분히 측정 가능하짐나 파워 컨디셔너나 EV 배터리 등 스위칭 주파수가 높은 리액터에서는 보다 고정밀한 측정을 위해 PX8000을 사용해야 합니다.

전압・전류 파형 측정

WT5000은 10MS/s, PX8000은 100MS/s로 전압・전류 파형을 샘플링해서 표시해 줍니다. 따라서 파형 측정을 위해 오실로스코프를 사용할 필요가 없습니다. 특히 고전압・고주파 전압을 측정하므로 경우에 따라서는 덤핑 저항을 사용할 필요가 있습니다.

PX8000 전력 파라미터와 파형 동시 측정 예

리액터 손실 측정

시스템 전체의 효율을 저하시키는 요인의 하나가 리액터로 그 손실의 정도를 정확하게 파악하는 것이 효율 개선의 첫걸음입니다. 실제 가동상태에서는 대전류&고주파에 의한 표피효과나 온도 상승에 의한 자성 재료의 특성 변화등도 영향이 있습니다.

방법１

리액터에 흐르는 전류와 리액터간 전압으로부터 소비전력 P(종합 손실)을 직접 측정합니다. 인가되는 전압과 흐르는 전류의 위상차는 90°여서 역률이 매우 낮은 측정 조건이지만 WT5000과 PX8000은 제로 역률에서의 측정 오차가 작아 고정밀로 측정이 가능합니다. 

이 방법의 경우 파워 아날라이저에 공통 모드 전압이 직접 가해지기 때문에 노이즈 침입이 쉽습니다. 또한 고전압 스위칭 파형(구형파)에 의해 동작하기 때문에 측정계 전체에서 노이즈 대책이 필수입니다.

또한 리액터의 권선 저항 r과 전류 I로 부터 구하는 동손을 빼면 철손을 구하는 것도 가능합니다.

P(철손)＝P(종합 손실)－r(권선 저항)×I(전류)^2

자성체의 철손 측정에서는 B-H 히스테리시스 루프의 측정으로도 손실 측정이 가능합니다. 세로축이 자속 밀도 B, 가로축이 자계 강도  H라고 하면 히스테리시스 루프의 면적이 손실입니다. PX8000에서는 이 연산도 가능합니다.

방법２

리액터 전후의 전압・전류로부터 전력을 측정하여 손실을 구하는 방법입니다.

리액터 손실 ＝ Pin － Pout

이 방법은 공통 모드 전압에 의한 노이즈 영향을 작게 억제할 수 있습니다.

하지만 입력채널(엘리먼트)간 편차가 새로운 측정 오차가 될 수 있습니다. 이 오차는 입력 채널을 교체하여 측정하고 평균 처리함으로써 억제할 수 있습니다.

리액터 임피던스 측정

리액터에 교류 신호 E(주파수 f)를 인가하고 파워 아날라이저로 리액터의 손실 및 전압 U・전류 I・위상차 θ를 측정한 후 유저 정의 연산 기능을 이용해 임피던스 ・리액턴스・인덕턴스・저항 성분을 구할 수 있습니다.

또는 고조파 측정 기능을 이용해 구하는 직렬・병렬 등가회로에서 스위칭 주파수의 차수별 임피던스・릴럭턴스 등의 파라미터 연산을 참조할 수도 있습니다.

노이즈 대책

저역률 측정에서는 특히 노이즈 대책이 중요합니다.

고정밀 측정 시 고려 사항

전류 센서는 관통식 구조로 1차측 배선에 흐르는 전류를 전류 센서의 전자 코어 코일로 검출하기 때문에 다음과 같은 점에 주의해야 합니다.

      AC/DC 전류센서나 전류 클램프를 이용하는 경우 진폭 오차의 보정이나 전압신호와 전류 신호간 위상차를 보정함으로써 보다 고정밀 전력 측정이 가능합니다.

      Null은 결선된 상태에서 외부 전류 센서를 포함하여 옵셋값을 0으로 만드는 기능입니다. 입력할 때마다 개별적으로 Null을 ON/ HOLD/ OFF 할 수 있습니다. 

      Null을 실행하기 전에 제로 레벨 보정(내부 회로의 제로 레벨을 보정하는 기능)을 실행하는 것을 추천드립니다.

측정계 전체 보정을 통한 재현성 개선

손실값(W)을 알고 있는 표준 커패시터(또는 인덕터) 및 펑션 제너레이터와 고주파 앰프를 사용하면 재현성을 높일 수 있습니다. 실제 구동 주파수로 가능한 큰 전류를 표준 커패시터에 인가하고 그 손실을 WT5000이나 PX8000으로 측정하면서 시간차 데이터를 표준 커패시터에서 소비되는 유효 전력값에 근접하도록 조정합니다.

결론