성공적인 고조파 측정 방법

도전

저렴하고 청정한 에너지는 오늘날 제품의 효율 향상을 촉진하기 위한 지속 가능한 개발 목표(Sustainable Development Goal) 중 하나입니다. 주거용 및 상업용 건물에서 사용되는 가전제품과 장비의 효율 및 전력 품질 기준은 에너지 비용 절감을 목적으로 설계되어 있습니다.

항공우주, 군사, 비상 전원과 같은 **중요 발전 시스템(Critical Generation Systems)**에서는 신뢰할 수 있는 전력 공급이 무엇보다 중요합니다. 발전 시스템용 전력 기준은 일반적으로 강력한 전력 네트워크 확보에 초점을 맞추며, 전력 네트워크의 효율성과 신뢰성은 시스템의 전력 품질(Power Quality) 향상을 통해 극대화됩니다.

고조파(Harmonic) 성분은 전력 품질 저하의 주요 원인이며, 관련 기관의 기준은 제조사가 고조파를 측정하고 제어하도록 요구하고 있습니다.

본 응용 자료(Application Note)는 전력 분석 장비(Power Analysis Instrument)를 활용한 고조파 측정 방법에 대한 안내를 제공합니다.

필수사항

고조파 성분을 가능한 한 높은 충실도로 정확하게 측정하려면, 기본 주파수와 고조파 성분 모두에 대해 정확도 보증이 있는 고정밀 계측기가 필요합니다(그림 1-2). 요꼬가와 테스트&측정(Yokogawa Test&Measurement)은 이러한 요구를 충족할 수 있는 다양한 전력 분석기(Power Analyzers)와 전력 스코프(Power Scopes)를 제공합니다.

성공적인 측정을 위한 설정

성공적인 고조파 측정을 위한 주요 계측기 설정 목록은 다음과 같습니다.

배선

계측기의 배선 지침은 해당 “Getting Started” 가이드를 참조하시기 바랍니다. 본 문서에서는 단상 부하(Single-phase Load)를 사용한다고 가정합니다.

연결이 완료되면, 사용자는 전력 분석기(Power Analyzer)의 설정 메뉴(Setup Menu)에서 배선 시스템을 구성해야 합니다. 이는 계측기 또는 구성 소프트웨어의 Wiring 메뉴를 통해 수행할 수 있습니다. 

전압, 전류 레인지 - 오토 

전력 분석기는 일반적으로 부하 크기에 맞는 정확한 측정을 위해 전압과 전류에 대해 **10~15개의 범위 설정(Range Settings)**을 제공합니다. 범위를 잘못 설정하면 전압 및 전력 측정 정확도에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

자동 범위(Auto Range) 설정은 입력 신호 전체를 최적의 정확도로 읽을 수 있도록 가장 적절한 측정 한계를 자동으로 결정합니다. 여기에는 입력 신호의 형태(PWM vs. 사인파, 잡음이 있는 신호 vs. 깨끗한 신호 등)를 고려하여 크레스트 팩터(Crest Factor) 설정을 자동으로 조정하는 기능도 포함됩니다.

만약 측정 범위가 절대 변하지 않는 경우(예: 전원선 전압)에는 자동 대신 **고정 범위(Fixed Range)**를 설정할 수도 있습니다.

스케일링 – **전류 변환기(CT)**를 사용하는 경우 CT 스케일링, **전압 변환기(VT)**를 사용하는 경우 VT 스케일링 

고전류 측정의 경우, 안전하고 갈바닉 절연이 가능한 측정을 위해 **전류 변환기(CT)**를 사용하는 것이 일반적입니다. 다소 덜 일반적이지만, **전압 변환기(VT)**나 전압 분배기를 사용하여 더 높은 전압을 전력 분석기에 적합한 범위로 낮추는 경우도 있습니다.

측정 설정에서 이러한 CT 또는 VT를 사용하는 경우, 전력 분석기에서 스케일링 비율(Scaling Ratio)을 반드시 설정해야 합니다. 요소(Element) 메뉴에서 스케일링이 올바르게 설정되지 않으면, 전력 측정값이 정확하지 않습니다. 스케일링 설정은 Setup 메뉴의 Scaling 필드, Current Range 필드 바로 아래에서 확인할 수 있습니다.

동기화 신호원 (Sync Source) 

최고 수준의 전력 정확도를 얻기 위해, 전력 분석기는 **파형의 주기(기본 주파수, fundamental frequency)**를 정밀하게 측정해야 합니다. 주기 측정에 사용되는 신호를 **동기화 신호원(Sync Source)**이라고 합니다.

전력 분석기는 이 측정 주기 동안의 전류와 전압 측정값을 사용하여 전력, RMS 값, 고조파 왜곡(Harmonic Distortion) 등 시간 적분이나 주파수 판독에 의존하는 다양한 값을 계산합니다.

동기화 신호원으로는 일반적으로 가장 깨끗한 사인파 형태의 신호가 선택됩니다. 예를 들어, 전원망(Grid)이나 벽면 전원에 연결된 장치의 경우 전압 파형(예: U1)이 사인파이고 기본 주파수를 대표합니다. 반면, 유도성 부하를 구동하는 인버터 시스템에서는 전류 파형(예: I1)이 선택됩니다. 

주파수 필터 (Frequency Filter)

동기화 신호원에서 주기(period)의 제로 크로싱(Zero-Crossing) 이벤트를 정확하게 식별하려면, 신호 측정이 충분히 깨끗해야 하며 상승/하강 엣지 당 한 번만 제로를 교차해야 합니다. **주파수 필터(Frequency Filter)**는 **고조파 분석에 필수적인 기본 주파수(펀더멘탈 주파수)**의 제로 크로싱 감지에 영향을 미치는 노이즈를 제거합니다.

위상 동기 루프(Phase-Locked Loop, PLL) 소스 

고조파(Harmonics)는 기본 주파수의 정수배(whole number multiple)로 작동하는 전압이나 전류를 의미합니다. 파워 분석기는 **빠른 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)**을 사용하여 각 정수 "빈(bin)" 또는 "버킷(bucket)"에 해당하는 스펙트럼 콘텐츠가 얼마나 존재하는지 식별합니다. FFT의 해상도는 샘플링 속도를 FFT의 데이터 포인트 수로 나눈 값으로 정의됩니다. 파워 분석기는 고조파 측정을 실시간으로 처리하기 위해 샘플링 속도를 조정하여 FFT의 해상도가 기본 주파수의 정수배에 맞도록 해야 합니다. 이를 위해 파워 분석기는 위상 동기 루프(PLL) 회로를 사용하여 기본 주파수를 추적하고 적절한 샘플링 속도를 생성합니다. PLL 회로 설정은 전압(voltage) 또는 **전류(current)**로 설정할 수 있습니다. 일반적으로 그리드 연결 시스템에서는 전압이 사용되며, 인버터 구동 모터의 경우 전류가 사용됩니다.

고조파 차수 및 전체 고조파 왜곡

고조파 차수 

최대 및 최소 차수 설정은 계산되는 고조파 콘텐츠의 범위를 결정합니다. 이러한 설정은 측정되는 개별 고조파의 수, 총 고조파 콘텐츠 측정값(예: U(total)) 및 전체 고조파 왜곡 계산에 영향을 미칩니다. 

전체 고조파 왜곡 (THD) 

THD는 기본 주파수 또는 전체 전류의 백분율로 표현되는 고조파 성분의 rms 비율입니다. 이는 최대 50차까지의 고조파 성분을 고려하지만, 특히 인터하모닉스는 제외합니다. 필요시 50차 이상의 고조파 성분을 포함할 수 있습니다. 백분율이 높을수록 파형이 더 왜곡된 것입니다. THD에 대한 두 가지 전력 분석기 설정은 CSA와 IEC에 의해 정의된 두 가지 공식에 해당하며, 이는 공식의 분모를 기준으로 합니다. 

라인 필터와 하모닉 필터

라인 필터 

원하지 않는 전기적 노이즈(전도성 또는 방사성)가 전원 분석기에 입력되는 신호에 존재하면 정확한 전력 측정을 방해할 수 있습니다. 이러한 신호의 존재를 파악하고 이를 완화하는 방법 중 하나는 전원 분석기의 내부 라인 필터를 사용하는 것입니다. 이 필터는 전압과 전류 측정과 직렬로 연결되어 있어, 필터의 차단 주파수를 조정하여 입력 신호에서 노이즈의 출처를 식별하고 이를 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다. 앨리어싱을 방지하기 위한 좋은 시작 지점은 1MHz입니다. 그러나 이상적인 차단 주파수는 테스트의 특정 측정 조건에 따라 다를 수 있습니다.

예를 들어, DC 버스를 측정할 때는 예상되는 DC 리플 주파수에 근접한 낮은 차단 주파수를 설정하는 것이 적합할 수 있습니다(리플의 영향을 제외할 경우, 더 낮게 설정할 수도 있음). 마찬가지로 외부 전류 측정 장치를 사용할 경우, 해당 장치의 차단 주파수 근처에 라인 필터를 설정하는 것이 좋습니다. 그 주파수 이상으로 전달되는 전력은 노이즈로 간주되기 때문입니다(예: LEM CT는 100kHz 영역의 대역폭을 가짐).

하모닉 필터 

계산 설정 

사용자 정의 계산은 후처리를 없애 효율성을 높여주는 매우 강력한 도구입니다. 수식은 실시간 계산을 위해 전력 분석기에 입력되며, 이는 데이터를 수집한 후 스프레드시트나 계산 소프트웨어를 사용하여 "수집 후 계산"하는 방식과 차별화됩니다. 그림 15와 16은 총 수요 왜곡(TDD)에 대한 IEEE-519 정의와 실시간 수학적 구현 예시를 보여줍니다. TDD는 최대 수요 전류를 기준으로 백분율로 표현된 고조파 콘텐츠의 rms 비율입니다. TDD 수식과 THD 수식의 차이점은 분모인 IL에 있습니다. IL은 지난 12개월 동안 각 월의 최대 수요에 해당하는 모든 전류의 합을 12로 나눈 값입니다. 

측정 값 표시 

고조파 측정은 전력 분석기에서 다양한 방법으로 표시될 수 있습니다: 해당 순서에 대한 단일 숫자 구성 요소로, (그림 17) 백분율 기여가 있는 짝수 및 홀수 순서의 목록 표시로, (그림 18) 각 고조파 순서 빈의 크기를 커서로 표시하는 막대 표시로, (그림 19) 또는 전체의 백분율로 표시할 수 있습니다.

요약

에너지 효율성과 신뢰성은 전기 및 전자 제품의 대리점 표준을 이끄는 원동력입니다. 고조파 함량이 중요한 요소인 신뢰성과 효율성을 위해서는 높은 전력 품질을 보장하는 것이 필수적입니다. 대리점 표준의 정확성 요구를 충족하려면 고정밀 기기가 필요하지만, PLL, 동기화 소스, 필터링과 같은 설정을 소홀히 하면 측정이 저하될 수 있습니다. 정확성과 기기 설정에 적절히 주의를 기울이면 성공적인 측정을 보장할 수 있습니다.

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How to Make Successful Harmonic Measurements

The Challenge

Affordable, clean energy is a sustainable development goal intended to drive higher efficiency in products today. Efficiency and power quality standards for appliances and equipment used in residential and commercial buildings are designed to reduce energy costs. Generating reliable power is paramount in critical generation systems such as those in aerospace, military, and standby power applications. Power standards for generation systems typically focus on ensuring robust power networks. The efficiency and reliability of power networks are maximized by increasing the power quality of the system. Harmonic content is a key contributor to low power quality , and agency standards are written to ensure manufacturers take action to measure and control harmonics.

This application note provides a guide for making harmonic measurements with a power analysis instrument.

Necessities

Acquiring accurate measurement of the harmonic content with the highest fidelity possible requires a high-precision instrument with guaranteed accuracy statements for both fundamental frequencies and harmonic content (Figures 1-2). Yokogawa Test&Measurement offers a range of power analyzers and power scopes to address these needs.

Setting Up for Success

The following is a list of key instrument settings for a successful harmonic measurement:

Wiring

Please see the appropriate “Getting Started” guide for an instrument’s wiring instructions. For this document, we will assume that a single-phase load is used.

Once connections are made, users must configure the wiring system in the power analyzer setup menu. This is done through the Wiring menu of the instrument or configuration software.

Voltage and Current Range – Auto

Power analyzers typically have 10-15 range settings for voltage and current for making accurate measurements appropriate to the size of the load. Configuring the range improperly can significantly impact the accuracy of the voltage and power readings.

The Auto Range setting automatically determines the most appropriate measurement limits to ensure the entire signal is read with optimal accuracy. This includes automatically adjusting the crest factor setting to account for the shape of the input signal (PWM vs. sinusoid, noisy vs. clean, etc.). If the range is known never to change (e.g., in the case of line voltage), a fixed range instead of auto can be set.

Scaling – Current Transformer (CT) scaling if CTs are used, Voltage Transformer (VT) scaling if VTs are used

For high currents, it is common to use a CT for safe, galvanically-isolated measurement of high currents. Although not as common, VTs or dividers are also used to step down a higher voltage to a range that is compatible with the power analyzer. If the measurement setup uses CTs or VTs for this purpose, it is necessary to set the scaling ratio on the power analyzer accordingly. Unless the scaling is set properly in the element menu, power readings will not be accurate. Users can find scaling in the Setup menu under the field labeled Scaling, directly below the Current Range field.

Sync Source

For the best possible power accuracy, the power analyzer requires a precise measurement of the waveform’s cycle period (fundamental frequency). The signal on which the measurement period is made is referred to as the sync source. The power analyzer uses the current and voltage measurements over this measurement period to calculate power, root means square (rms) values, harmonic distortion, and many other values that depend on a time integration or frequency reading. This signal is generally chosen to be the cleanest sinusoidal waveform available. In the case of devices connected to the grid or wall, the voltage waveform (e.g., U1) is typically sinusoidal and representative of the fundamental frequency. In an inverter system driving an inductive load, this would be the current waveform (e.g., I1).

Frequency Filter

To accurately identify the cycle period’s zero-crossing events in the sync source, the signal measurement should be clean enough to avoid crossing zero more than once per rising/ falling edge. The frequency-filter ensures that noise will not affect the zero-crossing detection of the fundamental frequency - this is essential for harmonic analysis.

Phase-Locked Loop (PLL) Source

Harmonics are defined as voltages or currents that operate at frequencies that are integral (whole number) multiples of the fundamental frequency. Power analyzers use the fast Fourier transform (FFT) to identify how much spectral content exists at each integer “bin or bucket,” a.k.a. harmonic. The resolution of an FFT is defined as the sampling rate divided by the number of data points in the FFT. The power analyzer must “tune” the sample rate for harmonic measurements in real-time to ensure the resolution of the FFT falls on an integer multiple of the fundamental frequency. Power analyzers use a PLL circuit to track the fundamental frequency and generate the appropriate sampling rate. The setting for the PLL circuit can be voltage or current. Typically, for grid-tied systems, this will be voltage; for inverter-driven motors, it will be current.

Harmonic Orders and Total Harmonic Distortion

Harmonic Orders

The maximum and minimum order settings determine the range of harmonic content computed. These settings will have an impact on the number of individual harmonics that are measured, the total harmonic content measurements (e.g., U(total)), and the total harmonic distortion computations.

Total Harmonic Distortion (THD)

THD is the ratio of the rms of the harmonic content, expressed as a percentage of the fundamental frequency or total current. It considers harmonic components up to the 50th order but specifically excludes interharmonics. Harmonic components of orders greater than 50 may be included when necessary. The higher the percentage, the more distorted the waveform. Two power analyzer settings for THD correspond to two equations defined by CSA and IEC, based on the denominator of the equation.

Line Filter and Harmonics Filter

Line Filter

Unwanted, conducted, or radiated electrical noise in signals feeding the power analyzer can be a nuisance to obtaining accurate power readings. One method for determining the presence of these signals and mitigating them is to use the internal line filter of the power analyzer. Since this filter is in series with the voltage and current measurements, experimenting with its cutoff frequency can help to identify sources of noise in the input signal and remove them. A good starting point to prevent aliasing is 1MHz. However, the ideal cutoff frequency also depends on other factors for a test’s specific measurement conditions.

For example, when measuring a DC bus, it may be appropriate to set a low cutoff frequency that is close to that of an expected DC ripple (or lower if the ripple’s impact is being excluded). Likewise, when using an external current measurement device, it makes sense to set a line filter close to the cutoff frequency for that device, since any power delivered above that frequency would be noise (e.g., LEM CT’s have a bandwidth in the 100kHz region).

Harmonics Filter

The harmonics filter is a special feature that applies only to the harmonic measurements made by the power analyzer. This filter is in parallel with all other measurements and only impacts the measurements denoted by harmonic order or total harmonic distortion figures (e.g., Irms(10)). This filter protects against potential aliasing in harmonic measurements due to the varying sample rate applied by the PLL when performing the FFT computation. This filter should be set near or just beyond the maximum harmonic order of interest. Instruments that do not have a dedicated harmonic filter should use the line filter when aliasing is of concern.

Setup Computations

User-defined computations are very powerful tools that provide efficiency gains by eliminating post-processing. Equations are entered into the power analyzer for real-time computation versus the “collect and compute later” methods using spreadsheets or computational packages after collecting data. Figures 15 and 16 show the IEEE-519 definition for total demand distortion  (TDD) and an example implementation in real-time math. TDD is the ratio of the rms of the harmonic content, expressed as a percentage of the maximum demand current. The difference between the TDD equation and the THD equation is the denominator, IL. IL equals the sum of all currents corresponding to maximum demand during each of the 12 previous months, divided by 12.

Displaying Measurements

Harmonic measurements can be displayed by a variety of methods on the power analyzer: as a single numeric component for that order (Figure 17), in a list display of even and odd orders with percentage contributions (Figure 18), in a bar display showing the magnitude of each harmonic order bin with cursors (Figure 19), or as a percentage of the total.

Summary

Energy efficiency and reliability are driving factors behind agency standards for electrical and electronic products. Ensuring high power quality is essential for reliability and efficiency, where harmonic content is a significant contributor. High-precision instruments are required to meet the accuracy demands of agency standards, but neglecting settings such as PLL, sync source, and filtering can result in a compromised measurement. Proper attention to accuracy and instrument settings will ensure successful measurements.

Learn more about Yokogawa Test&Measurement power analyzer solutions .

For more troubleshooting, please visit the Yokogawa Test&Measurement FAQs page  or contact a member of the Yokogawa support team .

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