VFD Harmonic이란? 인버터 고조파 발생 원리

VFD Harmonic이란 인버터의 정류기와 스위칭 동작으로 기본 주파수의 정수배 성분이 전류·전압에 포함되는 현상입니다. 고조파 발생 원인과 THD, 설비 영향을 알아봅니다.

VFD Harmonic이란 무엇을 의미할까?

VFD Harmonic은 VFD가 전원과 Motor를 제어하는 과정에서 Voltage 또는 Current Waveform에 기본파(Fundamental Frequency) 이외의 주파수 성분이 포함되는 현상을 의미합니다. Harmonic은 기본 주파수의 정수배에 해당하는 성분으로, 예를 들어 전원 Fundamental Frequency가 60Hz라면 5차 Harmonic은 300Hz, 7차는 420Hz가 됩니다. 이상적인 AC Power System에서는 Voltage와 Current가 깨끗한 Sine Wave 형태를 가지지만 VFD, UPS, SMPS처럼 Semiconductor를 이용하는 Nonlinear Load는 Current를 정현파 형태로 소비하지 않습니다. 그 결과 왜곡된 Waveform을 Fourier Analysis하면 Fundamental Component와 여러 Harmonic Components로 분해할 수 있습니다. VFD에서는 크게 전원 Input 측에서 Rectifier에 의해 발생하는 저주파 Harmonic과 Motor Output 측 PWM Switching으로 나타나는 고주파 성분을 구분해서 이해해야 합니다. 두 현상 모두 파형왜곡과 관련되지만 발생원인과 Frequency Spectrum, 대책이 서로 다르므로 단순히 ‘인버터 고조파’라는 하나의 현상으로 취급해서는 안 됩니다.

VFD 입력 정류기는 왜 고조파 전류를 만들까?

일반적인 VFD는 AC Input을 Diode Rectifier에서 DC로 변환한 후 DC Link Capacitor에 저장합니다. Rectifier와 큰 Capacitor를 사용하는 회로에서는 AC Voltage가 DC Bus Voltage보다 충분히 높은 구간을 중심으로 Diode가 Conduct하면서 Capacitor를 충전하므로 Input Current가 연속적인 Sine Wave가 아니라 Pulse 형태로 흐를 수 있습니다. 이 왜곡된 Current를 주파수성분으로 분해하면 Harmonic Current가 나타납니다. 일반적인 3상 6-pulse Rectifier에서는 이상화된 조건에서 h=6k±1 관계에 해당하는 5차, 7차, 11차, 13차 등의 Characteristic Harmonic이 주요 성분으로 나타납니다. 하지만 실제 Harmonic 크기는 Source Impedance, DC Reactor, AC Reactor, Load Level과 VFD 내부회로 등에 따라 달라집니다. 여러 VFD가 동일한 Power System에 연결되면 Harmonic Current가 Transformer와 Cable을 통해 흐르고 계통 Impedance에서 Harmonic Voltage Drop을 발생시켜 Voltage Waveform까지 왜곡할 수 있습니다.

THD는 인버터 고조파를 어떻게 나타낼까?

고조파의 크기를 평가할 때 널리 사용되는 지표가 THD(Total Harmonic Distortion)입니다. 전류의 경우 THDi는 기본파 Current에 대한 여러 Harmonic Current 성분의 RMS 합을 비율로 나타내며 개념적으로 THDi=√(I₂²+I₃²+…)/I₁×100%로 표현할 수 있습니다. Voltage에도 같은 개념을 적용하여 THDv를 계산합니다. THD가 높다는 것은 Fundamental Component에 비해 Harmonic Component의 비중이 크다는 의미입니다. 하지만 VFD의 Harmonic 영향을 평가할 때 THDi 값 하나만 보는 것은 충분하지 않을 수 있습니다. 부하가 작아 Fundamental Current가 감소하면 THDi가 높아 보일 수도 있으며 실제 Power System에 주입되는 Harmonic Current의 절대크기도 중요합니다. 또한 계통 전체 평가에서는 PCC(Point of Common Coupling)에서의 조건과 Total Demand Distortion 같은 지표가 사용되기도 합니다. 따라서 특정 VFD의 화면에 표시된 THD와 전체 공장의 Power Quality를 동일하게 해석해서는 안 되며 측정위치와 부하조건을 함께 확인해야 합니다.

VFD 고조파는 전기설비에 어떤 영향을 줄까?

Harmonic Current가 증가하면 Transformer, Cable, Reactor와 기타 Power Equipment에서 추가적인 Loss와 Heating이 발생할 수 있습니다. Current의 RMS 값이 증가하면 Conductor의 I²R Loss가 커지고 높은 Frequency에서는 Skin Effect와 Proximity Effect 때문에 AC Resistance가 증가할 수 있습니다. Transformer에서도 Winding Eddy Current와 Stray Loss가 증가하여 Temperature Rise에 영향을 줄 수 있습니다. Harmonic Voltage Distortion은 같은 Bus에 연결된 Sensitive Equipment의 정상동작에 영향을 줄 가능성이 있으며 Capacitor Bank와 계통 Inductance가 특정 Harmonic Frequency에서 Resonance를 형성하면 Capacitor Current가 크게 증가할 수도 있습니다. 또한 Harmonic 때문에 True Power Factor가 낮아질 수 있습니다. VFD Rectifier는 Fundamental Voltage와 Current 사이의 Displacement Power Factor가 비교적 높더라도 Current Distortion 때문에 Total Power Factor가 낮아질 수 있기 때문입니다. 다만 모든 전기적 이상을 고조파 탓으로 판단해서는 안 되며 실제 Power Quality Analyzer 측정을 통해 Harmonic Spectrum과 Voltage, Current 상태를 함께 분석해야 합니다.

VFD Harmonic은 어떤 방법으로 줄일 수 있을까?

VFD Harmonic을 줄이는 방법은 요구되는 성능과 설비규모에 따라 달라집니다. 가장 기본적인 방법으로 Input AC Reactor 또는 DC Reactor를 사용하면 Rectifier Current Peak를 완화하고 Input Current Waveform을 개선하여 Harmonic Current를 줄일 수 있습니다. 더 낮은 Harmonic Level이 필요한 경우 Passive Harmonic Filter나 Active Harmonic Filter를 사용할 수 있습니다. Active Harmonic Filter는 Load에서 발생하는 Harmonic Current를 측정하고 반대 성분의 Compensation Current를 주입하여 계통측 Harmonic을 줄이는 방식입니다. 또한 12-pulse·18-pulse Rectifier와 Phase-shifting Transformer를 이용하거나 Active Front End 방식의 Low Harmonic Drive를 적용하는 방법도 있습니다. 다만 설치비용과 Loss, 공간, 계통 Resonance와 유지보수를 함께 고려해야 합니다. VFD Output 측의 PWM 고주파 문제는 Input Harmonic과 다른 문제이므로 필요에 따라 Output Reactor, dv/dt Filter 또는 Sine Wave Filter를 검토합니다. 결국 VFD Harmonic 관리는 발생 위치와 Frequency Spectrum을 정확히 구분한 뒤 적절한 Reactor와 Filter, Drive Topology를 선택하는 것이 핵심입니다.