고조파 필터 설계 시 고려사항과 능동형 및 수동형 필터

 

전력 시스템에서는 비선형 부하나 정류기, 기타 전자 장비에 의해 고조파가 발생하게 된다. 이런 고조파로 인한 왜곡을 줄이기 위한 필터는 필수적인 구성요소 중 하나이다. 이런 고조파 필터는 고조파 왜곡을 허용 가능한 수준으로 줄이고 시스템의 전반적인 전력 품질을 개선하는데 도움이 될 수 있다. 이번에는 이렇게 효과적인 고조파 필터를 설계하기 위해 고려해야 할 사항에는 어떤 것이 있는지 알아보고 능동형 필터와 수동형 필터에 대해서도 함께 알아보고자 한다.

고조파 필터 설계 시 고려사항

고조파 필터는 전기 시스템의 전력 품질을 개선하고 장비 손상과 가동 중단 시간을 줄여 에너지 비용을 절감할 수 있어 전력 시스템에서 필수적인 요소 중 하나이다. 이런 고조파 필터는 설계할 때는 설비의 현재 상태를 파악하고 그 결과를 설계에 적용하여야 할 것이다. 그렇다면 고조파 필터 설계 시 고려해야 할 사항에는 무엇이 있을까.

 

우선 전력 시스템의 단선도를 파악하는 것이 중요하다. 단선도는 부하, 변압기 및 기타 전기 장비의 위치를 포함하여 전체 전력 시스템에 대한 자세한 개요를 제공하기 때문에 고조파 필터를 설계할 때 첫 번째로 고려해야 한다. 설계자는 전기 도면을 검토하여 고조파 왜곡의 잠재적 원인을 파악하고 필터 설치에 가장 적합한 위치를 결정할 수 있다. 다음은 부하의 유형과 그 특성을 고려하여야 한다. 전력 시스템의 부하 유형과 특성은 고조파 왜곡을 일으키는 중요한 원인이 되므로 이를 반드시 고려해야 한다. 필터는 고조파의 일반적인 원인인 가변 속도 드라이브 또는 정류기와 같이 시스템에 존재하는 비선형 부하를 고려하도록 설계해야 한다. 다음은 부하의 동작 패턴에 파악하여 부하에 의해서 생성되는 고조파 왜곡 수준에 대한 조사가 이루어져야 한다. 부하가 연속적으로 작동하는 경우 간헐적으로 작동하는 부하와 다른 유형의 필터가 필요할 수 있기 때문이다. 또한 고조파 부하의 고조파 스펙트럼을 파악하여야 한다. 고조파 부하의 고조파 스펙트럼은 목표로 하는 하는 특정 고조파 주파수와 각 주파수에 필요한 감쇠 레벨을 결정하므로 필터 설계 시 반드시 알아야 한다. 그 외에도 전원 단락 임피던스와 전원 단락 전류는 전력 시스템의 공진 주파수에 영향을 미쳐 고조파 왜곡을 실제로 악화시킬 수 있으므로 필터 설계 시 이러한 공진 주파수를 고려하고 이를 방지하도록 설계되어야 한다.

 

이렇듯 고조파 필터 설계에 앞서 각 전력 시스템의 상태를 파악하고 그에 맞는 필터를 설계하는 것이 중요하다. 시스템에 적절한 설계를 했을 때 전력 품질의 저하나 장비 손상을 줄이고 효과적이고 효율적으로 설비를 운영할 수 있을 것이다. 다음에는 필터의 종류 중 능동형 필터와 수동형 필터에 대해서 알아보자.

 

 

능동형 필터

능동형 고조파 필터는 고조파 전류를 상쇄하는 반대 전류 파형을 생성하여 전력 시스템의 고조파 왜곡을 줄이도록 설계된 필터의 한 유형이다. 능동형 고조파 필터는 전력 전자 장치를 사용하여 고조파 전류와 180도 위상이 다른 반대 전류 파형을 생성하고 이를 통해 고조파 왜곡을 상쇄하여 전기 시스템의 전력 품질을 개선하는 데 도움을 준다. 능동형 고조파 필터의 기본 작동 원리는 고조파 전류를 감지하고 고조파 전류를 상쇄하는 보상 전류 파형을 생성하는 것이다. 능동형 필터는 비선형 부하와 병렬로 연결되며 비선형 부하에서 생성된 고조파 전류와 크기가 같고 위상이 반대인 전류를 끌어오게 되는데, 이렇게 하면 전력 시스템에 흐르는 고조파 전류가 감소하고 고조파 왜곡을 상쇄시킨다. 능동형 고조파 필터는 전압 소스 또는 전류 소스 유형이 될 수 있다. 전압 소스 능동형 필터는 비선형 부하와 병렬로 연결되며 전압 소스 인버터를 사용하여 보정 전류 파형을 생성한다. 인버터는 고조파 전류를 감지하고 고조파 전류를 상쇄하는 전류 파형을 생성하는 마이크로프로세서에 의해 제어된다. 반면 전류 소스 능동형 필터는 비선형 부하와 직렬로 연결되며 전류 소스 인버터를 사용하여 보상 전류 파형을 생성한다. 능동형 필터의 주요 장점 중 하나는 광범위한 고조파 주파수를 필터링할 수 있다는 점이다. 각 고조파 주파수에 대해 고조파 전류를 상쇄하는 보상 전류 파형을 생성할 수 있으므로 수동형 필터보다 고조파 왜곡을 줄이는 데 더 효과적이다. 또한 능동형 필터는 변화하는 부하 조건에 적응할 수 있으므로 가변 부하 애플리케이션에 사용하기에도 적합하다. 능동형 필터의 또 다른 장점은 전기 시스템의 역률을 개선하는 데 도움이 되는 무효 전력 보상을 제공할 수 있다는 것이다. 선행 및 후행 무효 전력을 모두 제공할 수 있으므로 역률을 개선하고 낮은 역률과 관련된 에너지 비용을 줄이는 데 도움이 된다.

 

그러나 능동형 필터는 수동형 필터보다 더 복잡하고 비용이 많이 든다. 보상 전류 파형을 생성하기 위해 전력 전자 장치와 마이크로프로세서가 필요하므로 제조 및 유지 관리 비용이 더 많이 소요된다. 또한 전자 부품이 시간이 지남에 따라 마모될 수 있으므로 수동형 필터보다 더 많은 유지 관리를 필요로 한다.

 

 

수동형 필터

수동형 고조파 필터는 고조파 전류가 흐르는 경로를 제공하여 전력 시스템의 고조파 왜곡을 줄이도록 설계된 고조파 필터의 한 유형이다. 커패시터, 인덕터 및 저항과 같은 수동 부품을 사용하여 원치 않는 고조파 주파수를 필터링하는 방식의 필터를 의미한다. 수동형 필터의 기본 작동 원리는 필터링해야 하는 고조파 주파수에 맞게 조정된 공진 회로를 수동으로 만드는 것이다. 공진 회로는 인덕터와 커패시터의 직렬 또는 병렬 조합으로 구성된다. 인덕터는 고주파 고조파 전류의 흐름을 제한하는 데 사용되며 커패시터는 고조파 전류를 접지로 분기하는 데 사용된다. 수동형 필터는 단일 튜닝 또는 다중 튜닝이 가능하다. 단일 튜닝 필터는 특정 고조파 주파수를 필터링하도록 설계된 반면, 다중 튜닝 필터는 여러 고조파 주파수를 필터링할 수 있도록 설계되었다. 멀티 튜닝 필터의 공진 회로는 병렬로 연결된 여러 개의 단일 튜닝 회로로 구성된다. 수동형 필터의 주요 장점 중 하나는 단순성과 신뢰성이다. 작동하는 데 전력 전자 장치나 마이크로프로세서가 필요하지 않으므로 액티브 필터보다 저렴하고 안정적이다. 또한 설계 및 설치가 비교적 쉬워 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있다. 하지만 수동형 필터에는 몇 가지 한계도 있다. 특정 고조파 주파수를 필터링하는 데만 효과적이며, 시간이 지남에 따라 고조파 주파수가 변경되면 효과가 제한될 수 있다. 또한 변화하는 부하 조건에 적응할 수 없으므로 가변 부하 애플리케이션에는 적합하지 않으며 추가 손실을 유발하고 전기 시스템의 역률을 감소시킬 수 있다.

 

전력 시스템은 다양한 환경과 조건을 가지고 있으며 발생하는 고조파의 형태 또한 각기 다를 것이다. 그렇기 때문에 설계 또한 다르게 적용되어야 하기에 모든 상황을 고려하고 판단하여 설계를 하는 것이 중요하다. 또한 앞서 기술한 것과 같이 능동형과 수동형 필터의 특징을 잘 파악하고 각자의 설비에 맞게 적용한다면 효과적인 설비 운용이 가능할 것이다.

 

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