⚡ 비정현파 교류 – 비정현파 신호 분석 및 고조파 개념

1️⃣ 비정현파 교류(Non-Sinusoidal AC)란?

교류(AC) 신호는 **이상적인 정현파(Sinusoidal Wave)** 형태를 가져야 하지만, 실제 전력 시스템에서는 다양한 요인으로 인해 비정현파(Non-Sinusoidal Wave)가 발생할 수 있음.

비정현파 교류는 **여러 개의 주파수 성분(기본파 + 고조파)의 합성**으로 표현할 수 있음.

2️⃣ 비정현파의 원인

• **비선형 부하(Non-Linear Load)** – 전력전자 장치, 변압기, 전력 변환기 등이 비정현파를 유발.
• **전력 변환 장치** – 인버터, 컨버터, 스위칭 전원 등이 비정현파를 생성.
• **고조파 발생 장치** – LED 조명, 가변속 드라이브, 전자기기 등이 고조파를 유도.

3️⃣ 푸리에 급수(Fourier Series)와 비정현파 해석

모든 주기적인 비정현파 신호는 **푸리에 급수(Fourier Series)**를 이용해 **기본파(Fundamental Wave)와 고조파(Harmonics)의 합**으로 표현 가능.

푸리에 급수 표현:

V(t) = V_1 sin(ωt) + V_2 sin(2ωt + θ_2) + V_3 sin(3ωt + θ_3) + ...

여기서:

• V_1: 기본파 (1차 성분, 주파수 f)
• V_2, V_3, ...: 고조파 성분 (2차, 3차 주파수 등)
• ω: 기본파 각주파수 (ω = 2πf)

4️⃣ 고조파(Harmonics)란?

비정현파 신호는 **여러 개의 정현파(기본파 + 고조파)의 합성**으로 표현 가능.

• **기본파 (Fundamental Wave)** – 원래 주파수(1차 주파수)의 정현파.
• **고조파 (Harmonics)** – 기본파의 정수배 주파수를 가지는 신호.

✅ 주요 고조파의 특징

• 2차 고조파 (2nd Harmonic, 120Hz) : 기본파의 2배 주파수.
• 3차 고조파 (3rd Harmonic, 180Hz) : 기본파의 3배 주파수. 중성선 전류 문제 발생.
• 5차, 7차 고조파 (5th, 7th Harmonic) : 회전기와 변압기의 효율 저하 원인.

5️⃣ 고조파가 전력 시스템에 미치는 영향

고조파는 전력 품질을 저하시킬 수 있으며, 주요 영향은 다음과 같음.

• 전력 손실 증가 – 고조파 전류로 인해 추가적인 저항 손실(RI² 손실) 발생.
• 전자기적 영향 – 변압기 및 회전기에서 **진동, 과열** 발생.
• 전압 왜곡 – 고조파로 인해 전압파형이 변형되고 **전압 변동**이 심해짐.
• 중성선 과부하 – 3차 고조파(180Hz)가 중성선에 중첩되면서 **과부하 및 발열** 발생.

6️⃣ 고조파 억제 및 개선 방법

고조파 문제를 해결하기 위한 대표적인 방법:

• **고조파 필터(Harmonic Filter) 설치** – 특정 고조파 성분을 제거.
• **PWM 인버터 사용** – 부드러운 스위칭을 통해 고조파 최소화.
• **능동형 필터 사용** – 전력전자 장치를 활용하여 실시간 고조파 제거.
• **변압기 탭 조정** – 변압기 설계를 개선하여 고조파 영향을 줄임.

💡 요약

• 비정현파 교류는 기본파 + 고조파 성분으로 이루어짐.
• 푸리에 급수를 이용하여 분석 가능.
• 고조파는 전력 품질 저하, 변압기 손실 증가, 중성선 과부하 문제를 유발.
• 필터, PWM 인버터, 능동형 보상 장치를 활용하여 고조파 문제 해결 가능.