[논문]전류 고조파에 기인하는 변압기 손실 해석

장승용; 한상훈; 최재호

doi:10.6113/tkpe.2016.21.1.34

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates transformer losses caused by current harmonics. Electrical transformers are designed to work under sinusoidal voltage and current waves at a rated frequency. Recently, various nonlinear loads, such as power electronic converters, are connected to a power system; these convert...

This study investigates transformer losses caused by current harmonics. Electrical transformers are designed to work under sinusoidal voltage and current waves at a rated frequency. Recently, various nonlinear loads, such as power electronic converters, are connected to a power system; these converters generate current harmonics. Current harmonics increase power loss in transformers, which results in several problems, including temperature increase of the transformer and insulation damage. These problems will eventually shorten the operational life of the transformer. In this study, different types of losses caused by current harmonics in three-phase transformers are studied under linear and nonlinear load conditions. Linear loads are simulated and experimented on using pure resistance load, whereas nonlinear loads are simulated and experimented on using a three-phase twelve-pulse thyristor full-bridge rectifier. The different types of losses in three-phase transformers are evaluated analytically through the experimental result and simulation in PSiM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 변압기에 선형, 비선형 부하가 연결 되었을 경우에 발생하는 전류 고조파에 의한 변압기 손실을 분석하였다. 선형 부하로서는 순수 저항부하를 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 비선형 부하로서는 3상 12-펄스 싸이리스터 브릿지를 사용하였다.
본 논문에서는 변압기의 와전류 손실을 구하기 위하여 부하 손실에서 저항 손실을 감한 값을 표류 부하손실로 가정하고 이에 일정비를 적용하는 방식을 사용하였는데 변압기의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 따라서 앞으로의 연구에서는 자계 해석을 포함하여 고려되지 않은 파라미터를 반영한 보다 정확한 등가회로를 구축하여 정확한 손실을 계산하고 이를 시뮬레이션 툴에 반영하는 방안이 요구된다.
본 논문에서는 전류 고조파에 의한 변압기 손실들을 분석하였다. 실제 실험을 통하여 얻어진 전류 고조파를 이용하여 이론적으로 수식을 활용하여 손실 값을 계산하고 실험 측정에 의하여 구한 손실과 비교하였다.

제안 방법

변압기의 부하 손실은 자계 해석을 통하여 보다 정확하게 구할 수 있지만 과정이 복잡하여 본 연구의 취지에 부합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 간편한 방법으로서 IEEE 표준에서 제시한 바를 참조하여 (3)으로부터 부하 손실과 저항 손실의 차로써 표류 부하손을 먼저 구하고 건식 변압기의 경우 와전류 손실은 표유 부하손의 67%로 산정하고 표유 손실은 표유 부하손과 와전류 손실의 차로써 구하도록 하였다 ^[5,6].
시뮬레이션은 PSIM을 통하여 수행하였는데 3.1에서와같이 실험에서와 같은 선형 부하 조건과 비선형 부하 조건에서 분석하였는데 비선형 부하 조건은 그림 5에 보인 바와 같다.
앞에 기술한 바와 같이 실험 측정에 의하여 변압기의 손실을 분석할 수 있겠으나 현장에서 범용 전력전자회로해석용 범용 시뮬레이터를 이용하여 변압기 해석이 가능한지 검토하기 위하여 표 2에 나타낸 실험에서 사용한 변압기 파리미터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
표 2에는 측정에 사용한 변압기의 파라미터를 나타내었다. 정격 전류는 변압기 용량과 정격 전압을 이용하여 계산하였고 저항과 인덕턴스 값은 실제 측정값을 적용하였다.
표 3와 표 4에 나타낸 실험에서 측정된 고조파 전류값들을 이용하여 2장에서 전개한 변압기에서의 이론적인 손실 값들을 계산하는 수식에 대입하여 변압기 손실값들을 계산한 결과를 표시하였다.

대상 데이터

그림 2에 본 변압기 손실 해석에 사용한 변압기의 결선도를 나타내었다. 사용한 변압기는 3상 YDY 변압기로서 원자력발전소용 UPS 구동을 위한 12-펄스 싸이리스터 컨버터의 입력측에 사용되는데 컨버터의 입력 단에 전류 위상 차이를 발생시켜 12 펄스 컨버터로 동작하도록 설치되었다.
본 논문에서는 변압기에 선형, 비선형 부하가 연결 되었을 경우에 발생하는 전류 고조파에 의한 변압기 손실을 분석하였다. 선형 부하로서는 순수 저항부하를 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 비선형 부하로서는 3상 12-펄스 싸이리스터 브릿지를 사용하였다. 측정된 고조파를 이용하여 3상 변압기의 이론적인 손실을 계산하고 실제 측정결과와 비교하였다.
실험은 선형 부하와 비선형 부하를 각각 연결하여 진행하였으며 선형 부하로는 그림 3의 열저항기를 사용하였다. 저항의 크기는 2차 Δ측에는 1.

데이터처리

실제 실험을 통하여 얻어진 전류 고조파를 이용하여 이론적으로 수식을 활용하여 손실 값을 계산하고 실험 측정에 의하여 구한 손실과 비교하였다. 또한 같은 조건에서 범용 전력전자회로 해석용 시뮬레이터인 PSiM을 이용하여 실험 결과에서의 분석결과와 비교하였다. 본 논문 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 전류 고조파에 의한 변압기 손실들을 분석하였다. 실제 실험을 통하여 얻어진 전류 고조파를 이용하여 이론적으로 수식을 활용하여 손실 값을 계산하고 실험 측정에 의하여 구한 손실과 비교하였다. 또한 같은 조건에서 범용 전력전자회로 해석용 시뮬레이터인 PSiM을 이용하여 실험 결과에서의 분석결과와 비교하였다.
선형 부하로서는 순수 저항부하를 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 비선형 부하로서는 3상 12-펄스 싸이리스터 브릿지를 사용하였다. 측정된 고조파를 이용하여 3상 변압기의 이론적인 손실을 계산하고 실제 측정결과와 비교하였다. 그리고 시험에 사용된 변압기 파라미터를 이용하여 PSiM 시뮬레이션을 이용하여 고조파 전류에 의한 변압기의 전력손실이 실험에 의한 결과와 유사함을 확인함으로써 향후 산업 현장에서 PSiM 시뮬레이션의 해석결과를 변압기 설계에 쉽게 적용하는 가능성을 입증하였다.

이론/모형

그림 4에는 변압기에 비선형 부하를 연결하였을 때 나타난 변압기 입력과 출력 전류 파형을 나타내었다. 전류고조파 값과 파형을 얻기 위해 계측기를 사용하였는데 입력측은 YOKOGAWA CW 240, 출력측은 HIOKI 3197 Power Quality Analyzer를 사용하였다.

성능/효과

1) 선형 부하가 연결 되었을 경우와 비선형 부하가 연결되었을 경우의 변압기 손실을 비교한 결과 비선형 부하가 연결되었을 때의 손실 값이 선형 부하가 연결되었을 때보다 손실이 더 많았는데, 이로써 고조파에 의하여 손실이 증대하는 것을 확인할 수 있었다.
2) 계산에 의한 변압기 손실값과 측정에 의한 손실값이 서로 비슷함이 확인되었는데 이로써 이론식에 의한 각각의 손실값을 고려하여 변압기 설계에 반영할 수 있음이 입증되었다.
3) 실험과 시뮬레이션을 통해 얻은 손실 값을 비교할 때 결과가 매우 유사함을 확인할 수 있었는데 변압기의 손실분석을 위한 간편한 방법으로서 PSiM 시뮬레이션을 사용할 수 있음이 입증되었다.
측정된 고조파를 이용하여 3상 변압기의 이론적인 손실을 계산하고 실제 측정결과와 비교하였다. 그리고 시험에 사용된 변압기 파라미터를 이용하여 PSiM 시뮬레이션을 이용하여 고조파 전류에 의한 변압기의 전력손실이 실험에 의한 결과와 유사함을 확인함으로써 향후 산업 현장에서 PSiM 시뮬레이션의 해석결과를 변압기 설계에 쉽게 적용하는 가능성을 입증하였다.
시뮬레이션의 결과를 이용하여 계산에 의하여 도출한 변압기의 총 손실은 선형 부하에서 450[W]이고 비선형부하에서 2525[W]로 실험 결과를 이용하여 계산에 의하여 구했던 변압기의 총 손실이 선형 부하와 비선형 부하에서 454[W], 2528[W] 이었음을 감안할 때 매우 근접한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 실험 결과를 이용하는 경우와 시뮬레이션을 이용하는 경우 둘 다 계산에 의한 손실값이나 측정에 의한 손실값이 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 그러므로 간략한 고조파 전류에 의한 변압기의 손실계산은 PSiM 시뮬레이션을 이용하여 분석하고 이를 설계에 반영할 수 있음이 입증되었다.

후속연구

본 논문에서는 변압기의 와전류 손실을 구하기 위하여 부하 손실에서 저항 손실을 감한 값을 표류 부하손실로 가정하고 이에 일정비를 적용하는 방식을 사용하였는데 변압기의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 따라서 앞으로의 연구에서는 자계 해석을 포함하여 고려되지 않은 파라미터를 반영한 보다 정확한 등가회로를 구축하여 정확한 손실을 계산하고 이를 시뮬레이션 툴에 반영하는 방안이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고조파의 악영향은?	전력변환장치의 경우 전력용 반도체 소자의 스위칭에 의해 동작하기 때문에 전류의 고조파를 발생시킨다. 발생한 고조파는 역률을 저하시키고 온도의 과도한 상승을 유발하여 변압기의수명을 단축시킨다 [2].
	비선형 부하와 전력변환 장치의 단점은?	하지만 오늘날에는 다양한 형태의 비선형 부하가 계통에 연계됨에 따라 이러한 부하에 적절한 전원을 공급하는 전력변환장치의 보급이 활발히 진행되고 있다. 비선형 부하와 전력변환 장치는 변압기의 높은 손실을 유발하고 수명을 단축시킨다 [1].
	본 논문에서 전류 고조파에 의한 변압기 손실들을 분석하여 얻은 결론은?	1) 선형 부하가 연결 되었을 경우와 비선형 부하가 연결되었을 경우의 변압기 손실을 비교한 결과 비선형 부하가 연결되었을 때의 손실 값이 선형 부하가 연결되었을 때보다 손실이 더 많았는데, 이로써 고조파에 의하여 손실이 증대하는 것을 확인할 수 있었다. 2) 계산에 의한 변압기 손실값과 측정에 의한 손실값이 서로 비슷함이 확인되었는데 이로써 이론식에 의한 각각의 손실값을 고려하여 변압기 설계에 반영할 수 있음이 입증되었다. 3) 실험과 시뮬레이션을 통해 얻은 손실 값을 비교할 때 결과가 매우 유사함을 확인할 수 있었는데 변압기의 손실분석을 위한 간편한 방법으로서 PSiM 시뮬레이션을 사용할 수 있음이 입증되었다.

참고문헌 (7)

D. M. Said and K. M. Nor, "Simulation of the impact of harmonics on distribution transformers," IEEE International Conf. on Power and Energy (PECon'08), pp. 335-340, 2008.
Sumaryadi, H. Gumilang, and A. Susilo, "Effect of power system harmonic effects on degradation process of transformer insulation system," IEEE International Conf, on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM'2009), pp. 261-264, 2009.
A. A. Elmoudi, Evaluation of power system harmonic effects on transformers: Hot spot calculation and loss of life estimation, Ph. D. Thesis, Helsinki University of Technology, pp. 8-9, 2006.
G. R. Slemon, Electric Machines and Drives, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1992,
S. V. Kulkarni and S. A. Khaparde, Transformer Engineering, Marcel Dekker, Inc., 2004.
IEEE Std. C57.110-2008, "Recommended practice for establishing liquid-filled and dry-type power and distribution transformer capability when supplying nonsinusoidal load currents," 2008.
A. Gupta and R. Singh, "Computation of transformer losses under the effects on nonsinusoidal currents," Int. Journal Advanced Computing, vol. 2, no. 6, pp. 91-104, 2011.

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