인버터 12펄스·18펄스 고조파 저감 완전 실무 — THD 5% 이하 달성하는 3단계 설계법

인버터 고조파 저감을 위한 12펄스·18펄스 다펄스 방식 완전 실무 가이드

6펄스 대비 고조파 성분 80% 이상 저감 — 다권선 변압기 위상차 설계부터 현장 적용까지

인버터·VFD 제어 🔴 고급 KEC 2023 IEC 60617

01 / 개요

인버터 고조파 문제와 다펄스 방식의 필요성

산업 현장에서 가변속 드라이브(VFD) 및 인버터 보급이 급속도로 확대되면서, 전력 계통으로 유입되는 고조파(Harmonics) 문제가 심각한 이슈로 대두되고 있습니다. 특히 일반적인 6펄스 다이오드 정류 방식의 인버터는 전류 파형이 정현파에서 크게 벗어나 5차(250Hz), 7차(350Hz), 11차, 13차 등 다수의 고조파 성분을 계통에 주입합니다. 이러한 고조파는 변압기와 모터의 이상 과열, 콘덴서 뱅크 손상, 전기 계측기 오차 발생, 통신 설비 오작동 등 광범위한 피해를 유발합니다. 전력 공급사(KEPCO) 및 KEC에서는 일정 수준 이상의 고조파 유입을 규제하고 있으며, 이를 초과할 경우 수용가에 개선 명령이나 벌과금이 부과될 수 있습니다.

다펄스 방식(Multi-Pulse Method)은 이러한 고조파 문제를 근본적으로 해결하는 가장 신뢰성 높은 방법 중 하나입니다. 기본 원리는 위상이 서로 다른 복수의 6펄스 정류 브리지를 병렬로 운전하여, 각 브리지에서 발생하는 고조파가 서로 상쇄되도록 하는 것입니다. 12펄스 방식은 30°의 위상차를 갖는 두 개의 6펄스 브리지를 조합하고, 18펄스 방식은 20°의 위상차를 갖는 세 개의 브리지를 조합하여 더욱 낮은 총고조파왜율(THD)을 달성합니다. 이 방식은 능동형 필터(APF)에 비해 구조가 견고하고 유지보수가 용이하며, 대용량 부하에서도 안정적으로 동작한다는 장점이 있습니다.

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6펄스 인버터 문제

일반적인 다이오드 정류 방식으로 5차·7차 고조파 성분이 크며, THD가 30% 이상 발생할 수 있습니다. 중소 용량 범용 드라이브에 사용되며 저가이나 고조파 대책이 필요합니다.

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12펄스 방식

△/Y 및 △/△ 2차 권선을 가진 다권선 변압기와 두 개의 6펄스 브리지를 사용합니다. 5차·7차 고조파가 상쇄되어 THD를 8% 이하로 낮출 수 있습니다.

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18펄스 방식

세 개의 6펄스 브리지를 20° 위상차로 운전합니다. 11차·13차 고조파까지 상쇄하여 THD 5% 이하를 달성하며, 고조파 규제가 매우 엄격한 설비에 적합합니다.

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비용·효과 비교

펄스 수가 늘수록 변압기 권선 구성이 복잡해지고 초기 비용이 증가하지만, 고조파 저감 효과와 계통 보호 측면에서의 장기 경제성이 뛰어납니다.

02 / 단선결선도

12펄스·18펄스 인버터 단선결선도 (SLD)

그림 1. 12펄스(좌) 및 18펄스(우) 인버터 단선결선도 — 다권선 변압기, 다이오드 브리지 정류부, IGBT 인버터부, 모터 연결 구성

위상차 구성 블록 다이어그램

그림 2. 6펄스·12펄스·18펄스 방식 위상차 합성 블록 다이어그램 — 브리지 수와 위상차에 따른 THD 저감 효과

고조파 스펙트럼 비교 다이어그램

그림 3. 6펄스·12펄스·18펄스 방식별 고조파 전류 스펙트럼 비교 — 다펄스화에 따른 저차 고조파 상쇄 효과를 정성적으로 표현한 개략도

12펄스 다권선 변압기 배선 접속도

그림 4. 12펄스 방식 다권선 변압기 Y결선(위상 0°)·Δ결선(위상 -30°) 2차 권선 배선 접속도 — 30° 위상차 생성 원리

03 / 기기 구성

기기별 역할 및 선정 기준

12펄스 및 18펄스 인버터 시스템은 일반 6펄스 시스템에 비해 더 많은 구성 기기를 필요로 합니다. 각 기기의 역할과 선정 기준을 명확히 이해해야 시스템 설계 오류 없이 올바른 고조파 저감 효과를 얻을 수 있습니다. 특히 다권선 변압기의 임피던스 불평형과 각 브리지의 DC 출력 전압 편차는 순환 전류를 유발할 수 있어 정밀한 선정이 요구됩니다. 기기 선정 시 IEC 60146 및 IEC 61800-3 규격을 반드시 참조해야 합니다.

기기명	IEC번호	역할	전압/용량	선정기준
다권선 변압기 (12펄스용)	IEC 60076	1차(22.9kV)→2차 Y결선(0°) + Δ결선(-30°) 출력, 30° 위상차 생성	22.9kV / 0.44kV, 1000~2000kVA	임피던스 불평형 ≤1%, 2차 권선 전압 편차 ≤0.5%
다이오드 정류 브리지 (6P×2)	IEC 60146-1	교류를 직류로 변환. 각 브리지가 서로 다른 위상의 교류를 받아 DC 합산	VRRM≥1600V, 부하전류의 1.3배	역방향 내전압, 전류 정격, 서지 내량(ITSM) 확인
DC 리액터 (L_DC)	IEC 61800-3	DC 버스 고조파 리플 억제 및 브리지 간 순환 전류 방지	인버터 정격전류의 3~5% 임피던스	각 브리지 출력 측 개별 설치, 인덕턴스 값 대칭 확보
IGBT 인버터부	IEC 61800-2	직류를 PWM 제어로 가변 주파수·전압 교류로 변환하여 모터 속도 제어	출력 380/440V, 부하 kW 기준 선정	스위칭 주파수, 과전류 보호 내량, 냉각 방식 확인
AC 리액터 (입력 측)	IEC 61800-3	인버터 입력 전류 파형 개선, 전압 서지 흡수 및 돌입 전류 억제	정격전압×3~5% 임피던스	선로 임피던스와 합산하여 총 5% 이상 확보
진공차단기 (VCB)	IEC 62271-100	고장 시 자동 차단, 수변전 보호 연동 및 조작 회로 인터록 구성	24kV, 차단용량 25kA	단락전류 차단 용량, 동작 횟수 및 아크 소호 성능 기준

04 / 전력 흐름

전력 흐름 단계별 해설

다펄스 인버터의 전력 흐름을 단계별로 이해하면 고조파 저감이 어느 지점에서 발생하는지를 명확히 파악할 수 있습니다. 각 단계에서 전압·전류의 변환과 위상 관계가 정확히 유지되어야 설계 목표인 THD 저감이 실현됩니다. 특히 3단계(정류 합산)에서 위상 배선 오류가 발생하면 고조파 상쇄 효과가 전혀 나타나지 않으므로 주의가 필요합니다. 현장 시운전 시에는 반드시 고조파 분석기로 각 단계의 THD를 측정하여 설계값을 충족하는지 확인해야 합니다.

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22.9kV 계통 수전 및 차단기 투입

한전 22.9kV 특고압 계통으로부터 수전된 전력은 가스절연 또는 진공차단기(VCB)와 단로기(DS)를 통해 다권선 변압기 1차 측에 공급됩니다. 이 단계에서 수변전 보호계전기(OCGR, OVGR)가 연동하여 과전류 및 지락 사고를 감시합니다. 차단기 투입 전 반드시 DS 투입, 접지 제거 순서를 확인하고 인터록 조건을 검증해야 합니다. 계통 연계 지점에서의 전압 불평형률도 고조파 저감 효과에 직접 영향을 미치므로 사전 측정이 필요합니다.

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다권선 변압기에서 위상 분리 출력

다권선 변압기의 2차 측은 Y결선(위상 0°)과 Δ결선(위상 -30°)의 두 권선으로 구성되어, 각각 독립적인 교류 전압을 출력합니다. 이 두 출력 전압은 크기는 동일하지만 전기각으로 30°의 위상차를 가집니다. 위상차는 변압기 권선 결선 방식에 의해 자연적으로 발생하므로 외부 이상 소자 없이 구현되며, 권선 비율과 결선 방식의 정확성이 고조파 저감의 핵심입니다. 18펄스 방식에서는 연장 델타(Extended Delta) 권선을 이용하여 0°, -20°, -40°의 3단계 위상차를 구현합니다.

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6펄스 다이오드 브리지 정류 및 DC 합산

각 위상의 교류 전압은 독립된 6펄스 다이오드 정류 브리지에 공급되어 각각 직류로 변환됩니다. Bridge #1은 0° 위상 전류를, Bridge #2는 -30° 위상 전류를 정류하므로, 두 브리지의 DC 출력을 공통 DC 버스에 합산할 때 5차 및 7차 고조파 성분이 180° 위상 반전 관계로 상쇄됩니다. 12펄스 방식에서는 이 원리로 5차·7차 고조파가 이론상 완전히 소거되며, 잔류 고조파는 11차·13차부터 나타납니다. DC 리액터는 각 브리지의 DC 출력 측에 개별 설치되어 브리지 간 순환 전류를 차단하는 중요한 역할을 합니다.

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IGBT PWM 인버터에서 가변 주파수 교류 생성

공통 DC 버스의 직류 전압은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 기반의 PWM 인버터부에 공급되어, 제어기의 지령에 따라 가변 주파수와 가변 전압의 3상 교류로 변환됩니다. PWM 방식은 삼각파 비교 방식 또는 SVM(Space Vector Modulation) 방식을 사용하며, 스위칭 주파수는 통상 1~10kHz로 설정됩니다. 출력 전류에는 PWM 스위칭에 의한 고주파 성분이 포함되므로, 필요 시 출력 측 LC 필터나 dV/dt 필터를 추가 설치합니다. 인버터 출력의 V/f 특성 설정이 모터 가속·감속 특성과 효율을 결정합니다.

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모터 구동 및 고조파 저감 효과 검증

인버터 출력은 케이블을 통해 3상 유도전동기(IM)에 공급되어 가변속 구동이 이루어집니다. 시운전 완료 후에는 반드시 입력 측 전류에 대한 고조파 분석(Harmonic Analysis)을 실시하여 THD가 KEC 및 KEPCO 기준 이하인지 확인합니다. IEEE 519-2022 기준으로는 PCC(계통 연계점)에서의 전류 THD를 5% 이하로 관리하는 것을 권장합니다. 고조파 측정은 클램프형 고조파 분석기(예: Fluke 435-II, Hioki PW8001 등)를 활용하며, 인버터 정격 부하의 75% 이상 운전 상태에서 측정하는 것이 표준 관행입니다.

05 / KEC 기준

관련 KEC 기준

KEC 232.90

고조파 저감 대책 적용 의무

인버터 등 전력변환장치에서 발생하는 고조파 전류가 계통에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 일정 용량 이상의 설비에서는 다펄스 방식, 능동형 필터(APF), 수동형 필터 등 고조파 저감 대책을 의무적으로 적용하도록 규정합니다. 수용가 단위로 PCC에서의 전류 고조파 왜율 한계값을 관리해야 하며 위반 시 개선 명령이 부과됩니다.

KEC 341.4

변압기 결선 방식 및 중성선 처리

다권선 변압기의 Y결선과 Δ결선 혼합 구성 시 중성점 접지 방식을 명시하도록 규정합니다. Y결선 2차 측의 중성점은 직접 접지 또는 저항 접지로 처리하며, Δ결선 측에는 중성점이 없으므로 지락 보호 계전기를 별도 구성해야 합니다. 변압기 보호를 위한 온도 감시 장치(OTI, WTI) 설치도 요구됩니다.

KEC 130.5

전력 품질 기준 및 왜율 한계

수용가의 전력 품질 관리 기준으로서 전압 고조파 왜율(VTHD)과 전류 고조파 왜율(ITHD)에 대한 허용 한계를 규정합니다. 22.9kV 계통에서 전압 THD는 3% 이하, 배전 저압 계통에서의 전류 THD는 부하 용량과 계통 임피던스에 따라 5~8% 이하를 목표로 관리해야 합니다. 고조파 측정 주기와 기록 보관 의무도 함께 규정됩니다.

KEC 310.1

수변전 설비 안전 이격 및 설계 기준

인버터 및 다권선 변압기를 수용하는 수변전 설비의 공간 요구사항과 안전 이격 거리, 환기 및 냉각 요구사항을 규정합니다. 18펄스 방식의 경우 3권선 변압기가 일반 변압기 대비 크기가 증가하므로 큐비클 공간 확보 계획을 사전에 수립해야 합니다. 케이블 트레이와 부스바 배치 시 고조파 전류에 의한 열 발생을 고려한 여유 용량 설계도 요구됩니다.

06 / 현장 팁

현장 실무 포인트

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위상 배선 검증 필수

다권선 변압기 2차 권선의 위상 배선이 잘못되면 고조파 상쇄 효과가 전혀 나타나지 않습니다. 시운전 전 반드시 위상 회전 계기(Phase Rotation Meter)와 오실로스코프로 각 브리지 입력의 위상 순서(U→V→W)와 위상차(30° 또는 20°)를 개별 측정·확인하십시오. 작은 위상 배선 오류 하나가 수십만 원의 재공사 비용을 유발할 수 있습니다.

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DC 리액터 대칭 설치

12펄스 또는 18펄스 방식에서 각 브리지의 DC 출력 측에 삽입하는 DC 리액터는 인덕턴스 값이 서로 동일해야 합니다. 인덕턴스 불일치가 1% 이상이면 브리지 간 전류 불평형과 순환 전류가 발생하여 다이오드와 변압기에 과열 손상이 생길 수 있습니다. 납품된 리액터의 인덕턴스를 LCR 미터로 실측하여 편차를 확인한 후 설치하는 것이 안전합니다.

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부하율과 THD의 관계

다펄스 인버터의 THD 저감 효과는 부하율에 따라 달라집니다. 일반적으로 부하율 75% 이상에서 최대 저감 효과를 발휘하지만, 부하율이 25% 이하로 낮아지면 상대적 THD가 다시 높아지는 경향이 있습니다. 설비의 실제 운전 프로파일(부하율 분포)을 미리 분석하여, 저부하 운전 시간이 긴 설비에서는 다펄스 방식 단독으로는 한계가 있으며 추가 능동 필터 병용을 검토해야 합니다.

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변압기 과부하 여유율 설계

12펄스용 다권선 변압기는 2차 권선이 두 개이므로, 각 권선의 용량 합이 인버터 입력 kVA를 충분히 커버하도록 120~130% 여유율로 설계해야 합니다. 고조파 전류 자체가 변압기에 추가 손실(부유 부하 손실)을 유발하므로, K-Factor 변압기 적용을 검토하거나 일반 변압기 용량을 K-Factor 계수만큼 증량하는 것이 권장됩니다.

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정기 고조파 측정 및 기록 관리

다펄스 인버터 운전 중에도 정기적(최소 연 1회)으로 PCC에서 고조파 분석을 실시하고 결과를 기록·보관해야 합니다. 변압기 권선 열화, 다이오드 부분 고장, 배선 느슨함 등은 THD 수치가 서서히 증가하는 형태로 나타나므로, 트렌드 분석을 통해 선제적인 유지보수가 가능합니다. 고조파 분석 결과는 KEPCO 전력 품질 민원 대응 시 증빙자료로도 활용됩니다.

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변압기 온도 감시 운영

다권선 변압기는 고조파 전류에 의한 표류 부하 손실로 인해 일반 변압기보다 발열이 크게 나타날 수 있습니다. OTI(유온 온도계)와 WTI(권선 온도계)를 설치하고, 이상 온도 상승 시 경보(Alarm)와 차단(Trip) 동작 온도를 설정해 두어야 합니다. 환경 온도가 높은 여름철이나 피크 부하 운전 시에는 변압기 냉각 팬 동작 상태를 주기적으로 점검하는 것이 필요합니다.

07 / 시험 포인트

전기기사·기술사 빈출 포인트

• 12펄스 방식의 고조파 상쇄 원리: 30° 위상차를 갖는 두 개의 6펄스 브리지에서, 5차 고조파는 5×30°=150° 위상차, 7차는 7×30°=210°(≈-150°) 위상차가 생겨 서로 합산 시 상쇄됩니다. 이 원리에서 상쇄되는 고조파 차수는 6k±1 (k=1,2,…)이며, 잔존하는 최저 차수는 11차·13차(6×2±1)입니다. 기술사 서술형에서 수식을 포함하여 상쇄 조건 유도 과정을 쓸 수 있어야 합니다.
• 18펄스 방식이 저감하는 고조파 차수 범위: 18펄스 방식은 20° 위상차의 3개 브리지 합성으로, 5·7·11·13차 고조파를 모두 이론적으로 상쇄합니다. 잔존 최저 차수는 17차·19차(18k±1, k=1)이며, 이로 인해 THD를 5% 이하로 낮출 수 있습니다. 기사 필기에서 6/12/18펄스 방식의 잔존 고조파 최저 차수를 묻는 문제가 자주 출제됩니다.
• 다권선 변압기의 결선 방식과 위상차 생성 메커니즘: Δ/Y 결선은 1차→2차 간 30° 위상 지연(YNd1 기준)을 자연적으로 생성하며, Δ/Δ 결선은 위상 이동 없이 전달됩니다. 따라서 Δ/Y 출력과 Δ/Δ 출력 사이의 30° 위상차를 이용해 별도의 외부 이상 소자 없이 12펄스 구성이 가능합니다. KEC·IEC 표기법에서 변압기 결선 기호(YNd11, Dyn11 등)의 의미와 위상 변위 관계를 기술사 수험자는 반드시 숙지해야 합니다.
• K-Factor와 다권선 변압기 용량 결정: K-Factor는 고조파 전류에 의한 변압기 추가 손실 배율로, K = Σ(Ih/I1)²×h² (h: 고조파 차수)로 정의됩니다. 6펄스 인버터 부하의 K-Factor는 통상 4~13 범위이며, 12펄스·18펄스 방식 적용 시 고조파 저감 효과로 K-Factor가 2~4 수준으로 감소합니다. 기술사 계산 문제에서 K-Factor를 이용한 변압기 용량 보정 계산이 출제되므로, 공식과 적용 방법을 확실히 익혀야 합니다.

08 / 안전

작업 안전 수칙

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고압 정전 및 잔류전하 방전 확인

22.9kV 수변전 설비 및 다권선 변압기 작업 전 반드시 VCB·DS를 개방하고, 검전기(고압 검전봉)로 각 단자의 무전압을 확인해야 합니다. 인버터 DC 버스의 커패시터 잔류 전하는 전원 차단 후 최대 10분 이상 잔류할 수 있으므로, 전압계로 DC 버스 전압이 25V 이하임을 확인한 후 작업을 시작해야 합니다. 잔류 전하 방전 없이 DC 버스 단자를 접촉하면 치명적인 감전 사고로 이어질 수 있습니다.

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잠금·태그아웃(LOTO) 절차 준수

다펄스 인버터 시스템은 22.9kV 전원, 변압기, 인버터 캐비닛 등 복수의 에너지원이 존재하므로, 각 에너지원에 대해 개별적으로 잠금·태그아웃(Lock-Out/Tag-Out) 절차를 이행해야 합니다. 단독 작업을 금지하고 반드시 2인 1조로 작업하며, 모든 잠금 열쇠는 작업자 본인이 직접 소지해야 합니다. 작업 완료 후 잠금 해제 전에 관련 작업자 전원이 설비로부터 퇴피한 것을 확인해야 합니다.

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절연 보호구 착용 및 안전 이격 거리 유지

다권선 변압기 및 VCB 작업 시에는 전압 등급에 적합한 절연 장갑(클래스 2 이상, 17kV 내전압), 절연 안전화, 안면 보호대(Arc Flash 등급)를 반드시 착용해야 합니다. NFPA 70E 또는 KEC 기준에 따른 아크 플래시(Arc Flash) 에너지 계산을 사전에 수행하여 적정 PPE(개인보호장비) 등급을 선정해야 합니다. 활선 부위로부터 최소 안전 이격 거리(22.9kV: 최소 1.2m)를 항상 유지하십시오.

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시운전 전 절연 저항 측정 및 배선 재확인

다권선 변압기 및 전력 케이블에 대해 절연 저항계(메거, 5kV급)로 각 권선 및 케이블의 대지 절연 저항을 측정하고, 기준값(변압기 1MΩ 이상, 케이블 100MΩ 이상) 만족 여부를 확인해야 합니다. 12펄스 배선은 권선 출력과 브리지 입력의 U-V-W 상순을 재확인하지 않으면 위상 역전 또는 상간 단락이 발생할 수 있습니다. 시운전 체크리스트를 사전에 작성하고 서명과 날짜를 기록하여 문서화하는 것이 안전 관리의 기본입니다.

09 / FAQ

자주 묻는 질문

Q1. 12펄스 방식이 저감하는 주요 고조파 차수는 무엇인가요?

12펄스 방식은 30° 위상차의 두 6펄스 브리지 조합을 통해 5차(250Hz)와 7차(350Hz) 고조파를 효과적으로 상쇄합니다. 이 두 차수는 6펄스 인버터에서 가장 크게 발생하는 저차 고조파로서, THD 전체의 70~80%를 차지합니다. 12펄스 적용 후 잔존하는 최저 고조파 차수는 11차·13차이며, 이는 추가 필터나 18펄스 방식으로 보완할 수 있습니다.

Q2. 18펄스 방식은 어떤 경우에 선택해야 하나요?

고조파 규제가 매우 엄격한 병원, 반도체 공장, 데이터센터 등 전력 품질 민감 설비나, IEEE 519 기준으로 PCC 전류 THD를 5% 이하로 유지해야 하는 대용량 인버터(200kW 이상)에 적합합니다. 초기 투자 비용은 12펄스 대비 30~50% 높지만, 능동 필터(APF)와 비교하면 유지보수 비용이 낮고 대용량 적용에 유리합니다.

Q3. KEC에서 인버터 고조파 저감 기준은 어떻게 규정되어 있나요?

KEC 232.90에서 인버터 등 전력변환장치의 고조파 저감 대책 적용을 규정하고 있으며, 수용가 PCC에서의 고조파 왜율 한계를 관리하도록 합니다. 구체적인 수치 기준은 KEPCO 전력 품질 관리 기준 및 산업통상자원부 고시와 연계하여 적용되며, 22.9kV 연계 설비에서 전압 THD 3% 이하가 일반 목표치입니다.

Q4. 다펄스 방식의 단점과 한계는 무엇인가요?

펄스 수가 증가할수록 다권선 변압기의 크기·중량·비용이 크게 증가합니다. 12펄스는 일반 변압기 대비 약 15~25%, 18펄스는 30~50% 가격이 높습니다. 또한 각 브리지의 DC 리액터와 배선이 완벽히 대칭이어야 하므로 시공 정밀도가 높아야 하며, 저부하 시 THD 저감 효과가 감소하는 특성이 있습니다.

Q5. 전기기술사 시험에 12펄스 인버터 관련 문제가 자주 출제되나요?

전기응용기술사 및 발송배전기술사 시험에서 다펄스 인버터의 고조파 상쇄 원리, 잔존 고조파 차수 계산, K-Factor를 이용한 변압기 용량 보정 계산 문제가 반복 출제됩니다. 특히 12펄스와 18펄스의 상쇄 차수 비교, 다권선 변압기 결선 방식(Δ/Y·Δ/Δ) 설명, 6/12/18펄스 방식의 THD 비교 표 형태로 서술하는 문제 유형을 집중적으로 준비하면 효과적입니다.

본 가이드는 교육 목적으로 작성되었습니다.
KEC 2023 · IEC 60617 · IEC 60076 · IEC 61800-3 · IEEE 519-2022 · KEPCO 기준 참조