사인파 또는 모든 형태의 신호 형태의 입력 신호를 전자 회로에 적용할 때 출력은 동일한 유형의 신호여야 합니다. 이는 출력도 동일한 형태의 신호가 정현파여야 함을 의미합니다. 출력이 입력 신호의 동일한 복제본이 아니거나 출력이 입력 신호와 같지 않은 경우 차이를 왜곡이라고 합니다. 이러한 왜곡으로 인해 출력이 입력과 같지 않습니다.
고조파 왜곡은 이 예제를 사용하여 정의할 수 있습니다. 5V 입력 신호가 회로에 적용되면 출력 신호는 2V 전압만 갖게 됩니다. 이는 신호가 왜곡으로 인해 전압을 잃는다는 것을 나타냅니다. 이것은 증폭기, 전력 증폭기 및 변조 기술 등에서 발생합니다. 이 왜곡을 줄이기 위한 다양한 기술이 있으며, 왜곡 수준을 계산하기 위해 사용할 수 있는 방법 및 공식은 거의 없습니다. 고조파 왜곡이 무엇인지, 정의, 분석, 원인 등에 대해 알아보겠습니다.
1. 고조파 왜곡이란?
기본 주파수를 곱하는 정수가 "고조파"로 알려진 것처럼 고조파라는 단어를 이해할 수 있습니다. 여기서 고조파는 주파수가 기준 신호의 정수 배수인 신호 유형입니다. 다른 방식으로, 신호의 주파수와 참조 신호의 주파수 사이의 비율로 정의할 수 있습니다. 예를 들어, X는 주파수가 f Hz인 입력 AC 신호입니다.
여기서 신호 X는 참조 신호이고 신호는 2f, 3f, 4f 등과 같은 주파수를 갖습니다. 이론적으로 신호에는 무한 고조파가 포함됩니다. 아래 두 그림은 입력이 회로에 적용될 때 입력 신호와 왜곡된 출력을 나타냅니다.
신호가 양의 사이클과 네거티브 사이클의 동일한 주기를 갖는 경우, 이러한 신호를 대칭 신호라고 하며 홀수 고조파가 나타날 수 있습니다(기본 주파수의 3번째, 5번째 등을 곱함). 신호가 양의 주기와 음의 주기가 동일하지 않은 경우 이러한 신호를 비대칭 신호라고 하며 고조파가 나타날 수도 있고(기본 주파수의 2번째, 4번째 등을 곱함) DC 구성 요소도 비대칭 신호에 나타날 수 있습니다.
위의 그림에서 기본 신호 주파수를 100Hz로 알 수 있으며 고조파는 100Hz와 같은 기준 신호 주파수에 대해 다른 주파수에 존재합니다.
신호에 고조파 왜곡이 있고 고조파 주파수 성분이 존재하는 경우 특정 고조파 레벨에서 이러한 왜곡의 백분율을 찾는 방법은 다음과 같습니다.
%n번째 고조파 왜곡 = [Pn]/[P1] * 100
[Pn] = n번째 주파수 성분의 진폭
[P1] = 기본 신호 주파수의 진폭
왜곡은 전자 회로에 사용되는 구성 요소의 비선형 특성으로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 비선형 특성을 나타낼 수 있으며, 이로 인해 신호에 왜곡이 생성됩니다.
전력 시스템에는 5가지 유형의 고조파 왜곡이 있습니다.
- 주파수 왜곡
- 진폭 왜곡
- 위상 왜곡
- 상호 변조 왜곡
- 크로스 오버 왜곡
2. 고조파 왜곡 해석
고조파 왜곡에 대한 분석은 고유한 유형의 분석입니다. 이 유형에서는 단일 주파수 정현파 신호가 회로와 출력에 적용되어 왜곡을 측정하고 분석합니다.
입력 신호가 회로에 적용되면 구성 요소의 비선형 특성으로 인해 출력 신호에서 왜곡이 발생할 수 있습니다. 이 때문에 참조 신호는 다른 주파수 지점에서 출력에 나타날 수 있습니다. 총 고조파 왜곡 측정 기법으로 왜곡을 분석하면 THD(Total Harmonic Distortion), THDN(Total Harmonic Distortion Plus Noise), SINAD(Signal to Noise and Distortion), SNR(Signal to Noise Ratio) 및 기본 주파수에 대한 n번째 고조파 값의 값을 알 수 있습니다. 이 총 고조파 왜곡 측정 방법을 통해 입력 및 출력 전압과 입력 및 출력 전력을 알 수 있습니다.
1) 고조파 왜곡 원인
고조파 왜곡의 주된 이유는 전자 부품의 비선형 부하와 비선형성 특성입니다. 비선형 부하는 인가된 입력 전압에 따라 임피던스를 변경합니다. 이로 인해 출력 신호에 왜곡이 발생합니다. 그리고 회로에 사용되는 구성 요소도 비선형성 특성을 보여줍니다. 이것은 또한 출력에서 고조파의 개발로 이어집니다. 고조파 왜곡 때문에 회로는 열과 출력이 입력과 같지 않습니다. 이 효과는 모든 회로에 해롭습니다.
2) 고조파 왜곡 분석기
고조파 왜곡 계수를 찾는 것은 모든 회로에서 가장 중요합니다. 이 값으로 이러한 왜곡을 분석할 수 있습니다. 총 고조파 왜곡(THD)은 전류 신호에 대한 총 고조파 왜곡과 전압 신호에 대한 총 고조파 왜곡을 찾는 데 가장 유용한 기술입니다.
THD는 기본 신호 주파수의 RMS 값에 대한 모든 고조파 신호의 RMS 값 간의 비율로 정의할 수 있습니다.
전류 THD – 전류에 대한 총 왜곡은 THDi로 표시됩니다.
여기서, In은 n번째 고조파 신호에 대한 RMS 전류이고, I1은 기본 신호의 RMS 값이다.
전압 THD – THDi와 동일, 전압의 총 고조파 왜곡은 THDv로 표시됩니다.
여기서, Vn은 n차 고조파의 전압이고, V1은 기본 신호의 전압이다.
THD(Total Harmonic Distortion)는 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 시스템의 비선형 동작을 분석합니다. THDN(Total Harmonic Distortion Plus Noise)은 잡음 성분과 함께 고조파의 RMS 값에 대한 기본 신호의 RMS 값의 비율로 정의됩니다.
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