고조파개념
일반적으로 고주파(高周波, High Frequency)는 전력관계에서 상용 주파수보다 높은 주파수, 예를 들면 수백 Hz이상인 주파수를 말하며, 고조파(高調波, Harmonics)는 기본파에 대하여 그의 정수배의 주파수를 말하는 것으로, 통상 왜형파는 기본파와 고조파로 분해해서 생각할 수 있다. 따라서 왜형파의 찌그저짐 정도는 n차 고조파의 크기 및 기본파에 대한 편위각등의 크기에 따라 복잡하고 다양하게 나타난다. 고조파 중에서도 특히 3, 5, 7차 고조파가 현실적으로 문제가 되며, 직류사용기기에서는 고차고조파(11차 이상 고조파)가 다수 나타나기도 한다.
<그림 1> 고조파 이해
고조파라는 것은 “주기적 복합파의 각 성분중 기본파 이외의 것, 제n조파라는 것은 기본파의 n배 주파수”라고 정의할 수 있다. 그래서 왜형파는 하나의 기본파와 그 정수배 주파수를 갖는 고조파로 분해할 수 있다. 위에 그림은 고조파 성분이 기본파에 합성되었을때의 그림으로서 이해를 돕기 위해서 3고조파와 5고조파성분만을 기본파에 합성했을때의 형상을 보여주고 있다. 왜형파의 형상을 결정짓는 주요요소는 그차수에 해당하는 고조파의 크기이다.
우리 나라의 상용전력 계통은 60Hz의 주파수로 운용하고 있으나, 실제로 발전기의 계자자속의 증,감자에 의한 영향 및 비선형 부하의 영향등으로 전압 및 전류파형은 정확한 정현파가 되지 않고 왜형파로 나타나고 있다. 이 같은 파형을 분해하여 보면, 기본파와 복수의 차수가 혼합된 합성파형으로 나타난다. 일반적으로 왜형파는 무한개의 고조파를 포함하고 있고, 고차일수록 그 함유율은 감소한다. 전력계통에 있어서 고조파의 대상이 되는 주파수범위는 일반적으로 약 50차(약3kHZ)정도까지를 말하며, 노이즈와는 구별되는 파형이다.
<그림 2> 왜형파의 분해. 합성
최근 문제가 되고 있는 전기사용장소의 고조파장해현상을 쉽게 이해하는 방법은 고조파를 전류원으로 보고 해석하는 것이다. 전력변환기, 인버터, OA기기등 반도체응용기기와 같이 비선형특성을 갖는 부하에 정현파 전압을 인가하면 흐르는 전류는 일반적으로 고조파 함유율이 있는 왜평파의 형태가 된다. 이 전류를 분해하면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
즉, 전류I는
,
n=2,3,4,.....2m+1(m=1,2,3....∝), In: n차 고조파, I1: 정격전류,
위 식처럼 상용주파수 성분(I1)과 그 정수배의 주파수 성분(In)과 합성된 파형으로 나타난다. 즉 왜형파 전류는 각 고조파 성분의 중첩으로서 표현할 수 있다. 따라서 어떠한 왜형파도 위 그림에서처럼 기본파와 해당 고조파로 분해할수 있으며, 이러한 값들의 주파수 스펙트럼을 알아봄으로서 고조파의 차수 및 크기를 알수 있다. 다름으로 고조파의 성질에 대해서 알아보면 다음과 같다. 고조파 성분은 크게 영상, 정상, 역상성분으로 분류할수 있으며, 각각 발생된 고조파 성분중에서 역상 및 영상분의 고조파 성분이 얼마만큼 함유되었는지에 따라서 손실정도는 달라질수 있다. 이해를 돕기 위해서 영상 및 역상, 정상에 대하여 간단하게 설명하면 아래 그림과 같다.
<그림 3> 고조파 정상, 역상, 영상 이해
정상성분은 기본파와 같은 상순위를 같는 값으로서 우리나라는 A, B, C상순위이며, 상회전 방향이 시계방향을 기준으로 하고 있다.
<그림 4> 영상분 고조파 이해
고조파성분중 정상성분은 기본파를 포함하여 4, 7, 10 고조파 등으로서 3n+1(n은 1, 2, 3...∝)에 해당하는 고조파 성분을 말한다. 역상성분 고조파는 2, 5, 8...등 고조파 차수가 3n-1 에 해당하는 고조파 성분으로서 A, B, C 상순위가 반시계방향이 되며, 이러한 역상성분 고조파는 인근 전동설비에 침입시 역상톨크를 발생시키므로서 특히 전력손실에 많은 영향을 미치고 있다고 여겨진다. 영상성분은 각 상에 동상의 값으로 나타나는 파형으로서 3, 6, 9...등 차수가 3n으로 표현되는 성분이며, 단상전원 3개가 선로에 병렬로 연결된것과 등가이며, 따라서 교번파형을 나타내고 있는 것이 특징이다.
<그림 5> 정상분 고조파 이해
이러한 고조파 발생원을 전류원으로서 다루면 고조파 전류는 다음과 같은 특성을 갖는다.
① 고조파 전류원은 차수마다 존재하며 발생한 전류는 부하단에서 전력계통 및 타부하단으로 유출한다.
② 고조파 전류는 임피던스에 비례하여 분류되며, 전 계통에 걸쳐서 흐른다.
③ 계통임피던스는 주파수에 의해서 변하기 때문에 고조파 회로는 발생차수 만큼 존재한다.
<그림 6> 역상분 고조파 이해
④ 실제 회로의 파형은 기본파와 복수 고조파의 순시치가 합성된 것이다.
⑤ 배전계통의 고조파전압은 계통의 여러 곳에서 유입하는 고조파전류와 계통의 임피던스에 의해서 발생한다.
<그림 7> 정상, 역상, 영상 회로
