AC 이론

1. RMS(평균 제곱근 값)

RMS 값은 AC 전압과 전류의 값을 지정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 유용한 수단입니다. AC 파형의 RMS 값은 해당 파형에서 사용 가능한 전력 수준을 나타내며 이는 모든 AC 소스의 가장 중요한 속성 중 하나입니다.

RMS 값의 계산은 아래 그림 1(a)에 표시된 것과 같이 AC 전류 파형과 관련 가열 영향을 고려하여 가장 잘 설명할 수 있습니다.

이 전류가 저항을 통해 흐르는 것으로 간주되는 경우 특정 순간의 가열 효과는 다음 방정식으로 제공됩니다.

현재 사이클을 동일한 간격의 좌표로 나누면 시간에 따른 가열 효과의 변화가 그림에 표시된 대로 결정될 수 있습니다. 1b.

평균 가열 효과(전력)는 다음과 같이 계산됩니다.

위에 표시된 평균 열 효과 값을 생성하는 등가 전류 값을 찾으려면 다음이 적용됩니다.

그러므로

= 전류의 제곱 평균의 제곱근

= 현재의 RMS 값 .

이 값은 저항 부하에서 동일한 가열 효과(전력)를 생성하는 직류와 동일하므로 종종 AC 파형의 유효 값이라고 합니다.
순수한 정현파의 경우 다음과 같은 점에 주목할 가치가 있습니다. RMS 값 = 피크 값 / SQRT(2) = 피크 값 * 0.707

2. 평균값

그림과 같은 파형의 평균값. 2는 다음과 같이 주어진다:

대칭 파형의 경우 전체 사이클에 대한 평균 값이 0인 것처럼 평균 값은 파형의 절반 사이클에 대해서만 실제 의미를 가질 수 있다는 것이 분명합니다.
대부분의 간단한 멀티미터는 AC 파형의 전파 정류와 평균값 계산을 통해 AC 값을 결정합니다.
그러나 이러한 미터는 RMS로 교정되며 RMS와 정현파 평균 간의 알려진 관계를 활용합니다.
즉: RMS = 1.11 x 평균.

그러나 순수 사인파 이외의 파형의 경우 해당 미터의 판독값은 유효하지 않습니다.

3. 실제전력과 피상전력(W & VA)

100V RMS의 정현파 전압 소스가 100Ω의 저항 부하에 연결되면 전압과 전류는 그림 1과 같이 표시될 수 있습니다. 3a. 그리고 단계에 있다고 합니다.
어떤 순간에 전원에서 부하로 흐르는 전력은 그림과 같이 그 순간의 전압과 전류를 곱한 값으로 주어진다. 3b.
이것으로부터 부하로 흐르는 전력은 0~200W 사이에서 변동하고(공급 주파수의 두 배에서) 부하에 전달되는 평균 전력은 100W와 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 이는 100V RMS에서 기대할 수 있는 것과 같습니다. 100옴의 저항.

그러나 부하가 100ohm의 임피던스로 반응성(즉, 저항뿐만 아니라 인덕턴스 또는 커패시턴스 포함)인 경우 흐르는 전류는 여전히 1A RMS이지만 더 이상 전압과 위상이 일치하지 않습니다. 이는 그림에 나와 있습니다. 4a. 전류가 60 ^° 만큼 지연되는 유도성 부하의 경우.

전력 흐름은 공급 주파수의 두 배에서 계속 변동하지만 이제는 각 반주기의 일부 동안만 공급 장치에서 부하로 흐르고 나머지 부분에서는 실제로 부하에서 공급 장치로 흐릅니다.

따라서 부하로의 평균 순 흐름은 저항 부하의 경우보다 훨씬 작으며 유도 부하에 전달되는 유용한 전력은 50W에 불과합니다.

위의 두 경우 모두 RMS 전압은 100V RMS와 같았고 전류는 1A RMS였습니다.
이 두 값의 곱은 부하에 전달되는 피상 전력이며 다음과 같이 VA 단위로 측정됩니다.
피상 전력 = 볼트 RMS x 암페어 RMS

전달된 실제 전력은 부하의 특성에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다.
RMS 전압 및 전류에 대한 지식을 바탕으로 실제 전력 값을 결정하는 것은 불가능합니다.
이는 순시 전압과 전류 값의 곱을 계산하고 결과의 평균을 표시할 수 있는 실제 AC 전력계를 사용해야만 달성할 수 있습니다(예: 열 손실 또는 효율성 평가).

4. 역률

DC 시스템과 비교할 때 전송된 AC 전력은 단순히 전압과 전류 값의 곱이 아니라는 것이 분명합니다.
역률로 알려진 추가 요소도 고려해야 합니다.
유도성 부하가 있는 이전 예(실제 전력 및 피상 전력)에서는 유효 전력이 정확히 피상 전력의 절반이므로 역률은 0.5입니다.
따라서 역률을 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

정현파 전압 및 전류 파형의 경우 역률은 실제로 전압과 전류 파형 사이의 위상각의 코사인과 같습니다.
예를 들어 앞에서 설명한 유도성 부하의 경우 전류는 전압보다 60 ^° 뒤처집니다. 따라서 다음과 같습니다.

이러한 이유로 역률을 종종 cosθ라고 합니다.
그러나 이는 전압과 전류가 모두 정현파인 경우에만 해당되며(그림 5, I1 및 I2) 다른 경우에는 역률이 cosθ와 동일하지 않다는 점을 기억하는 것이 중요합니다[그림 5(I3)].

cosθ를 읽는 역률 측정기를 사용할 때 이 점을 기억해야 합니다. 왜냐하면 판독값은 순수한 정현파 전압 및 전류 파형을 제외하고는 유효하지 않기 때문입니다.
실제 역률 측정기는 위에서 설명한 대로 실제 전력과 피상 전력의 비율을 계산합니다.

5. 파고율

정현파의 경우 다음과 같은 내용이 이미 나와 있습니다.

피크와 RMS 사이의 관계는 파고율(Crest Factor)로 알려져 있으며 다음과 같이 정의됩니다.

따라서 정현파의 경우:

AC 공급 장치에 연결된 현대 장비의 많은 품목은 비정현파 전류 파형을 취하며 여기에는 전원 공급 장치, 램프 조광기, 심지어 형광등도 포함됩니다.

일반적인 스위치 모드 전원 공급 장치는 그림에 표시된 것처럼 AC 공급 장치에서 전류를 받습니다. 6.
표시된 전류 파형의 파고율은 1.414보다 훨씬 큽니다. 실제로 대부분의 스위치 모드 전원 공급 장치와 모터 속도 컨트롤러의 전류 파고율은 3 이상입니다.
그러므로 큰 전류 파고율은 장비가 왜곡된 파형과 관련된 큰 피크 전류를 공급할 수 있어야 하므로 이러한 부하를 공급하는 장비에 추가적인 스트레스를 가해야 합니다.
이는 대기 인버터와 같은 제한된 임피던스 전원이 부하를 공급하는 경우 특히 관련이 있습니다.
따라서 AC 장비가 관련된 경우 RMS 전류뿐만 아니라 유입되는 전류의 파고율을 아는 것이 중요하다는 것이 분명해졌습니다.

6. 고조파 왜곡

부하로 인해 전류 파형이 왜곡되는 경우 파고율을 아는 것 외에도 파형 왜곡 수준을 정량화하는 것이 유용합니다.
오실로스코프를 관찰하면 왜곡이 표시되지만 왜곡 수준은 표시되지 않습니다.

비정현파 전류 파형은 공급 주파수의 기본 구성 요소와 일련의 고조파(즉, 공급 주파수의 정수배인 주파수의 구성 요소)로 구성된다는 것을 푸리에 분석을 통해 확인할 수 있습니다.
예를 들어 100Hz 구형파는 그림에 표시된 구성 요소로 구성됩니다. 7.
구형파는 순수한 사인파에 비해 분명히 매우 왜곡되어 있습니다. 그러나 예를 들어 SMPS, 램프 조광기 또는 속도 제어 세탁기 모터에 의해 나타나는 전류 파형에는 훨씬 더 중요한 고조파가 포함될 수 있습니다.
그림 8. 널리 사용되는 SMPS 모델에 의해 유도된 전류와 해당 전류의 고조파 내용을 보여줍니다.

유일하게 유용한 전류는 전류의 기본 구성요소입니다. 왜냐하면 이 전류만이 유용한 전력을 생성할 수 있기 때문입니다.
추가 고조파 전류는 전원 공급 장치 자체 내부뿐만 아니라 전원 공급 장치와 관련된 모든 배전 케이블, 변압기 및 스위치 기어에 흐르므로 추가 손실이 발생합니다.

장비가 생성할 수 있는 고조파 수준을 제한해야 한다는 필요성에 대한 인식이 높아지고 있습니다. 특정 유형의 부하에 허용되는 고조파 전류 수준에 대한 필수 제한을 제공하기 위해 많은 지역에 제어 장치가 존재합니다.
이러한 규제 통제는 곧 IEC1000-3으로 대체될 IEC555와 같은 국제적으로 인정된 표준의 사용으로 더욱 널리 확산되고 있습니다.
따라서 장비 설계자들 사이에서는 제품이 고조파를 생성하는지 여부와 어느 수준에서 고조파를 생성하는지에 대한 인식이 높아져야 합니다.

7. AC 매개변수 측정

위에 설명된 AC 매개변수는 장비 제조업체와 AC 전원 공급업체 모두에게 중요할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 이러한 응용 분야에 사용되는 계측기는 사용이 불편하거나 필요한 기능이나 정확도를 제공할 수 없는 경우가 많습니다. 특히 분석 중인 신호에 잡음이 있거나 왜곡된 경우에는 더욱 그렇습니다.

Voltech Instruments는 범용 전력 측정부터 가장 복잡하고 까다로운 전력 분석 작업에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 대한 솔루션을 제공하도록 설계된 전력 측정 장비의 개발 및 제조를 전문으로 합니다.