ちらつきと電力品質
このブログでは、フリッカーの問題について説明します。これは、視点に応じて、電力品質または電磁両立性（EMC）の問題と見なすことができます。可変速ドライブがちらつきを引き起こす可能性があるかどうか、またどこでちらつきの問題を解決するのに役立つかを検討します。
「フリッカー」とは、供給電圧が急激に変化した場合の電灯への影響を指します。これは、大きな負荷が突然接続または切断されたときの時折のシングルディップまたはフラッシュから、電圧が人間の目と脳が特に敏感な範囲の周波数で変調された場合の刺激的な急速なちらつきまで、何でもかまいません。約0.5Hz〜20Hz。
フリッカーは、高調波やその他の電力品質の問題と混同されることがあります。高調波は、定義上、供給周波数の整数倍である周波数であり、目が応答するには高すぎます。ただし、フリッカと高調波電圧の両方は、供給源インピーダンスのために電圧に影響を与える負荷電流によって引き起こされるため、供給ラインが長いなどの要因により供給インピーダンスが高い場所では、高調波電圧とフリッカの両方の問題が発生する可能性があります一緒に発生します。
図1は、供給周波数の5分の1でフリッカーをシミュレートした誇張された波形を示しています。対照的に、図2は、シミュレートされた5次高調波を示しています。図2では、すべてのサイクルが歪んでいますが、形状は同じであるため、ちらつきは発生しません。
電力供給業者は、電力品質が目的に適合していることを確認する必要があり、ちらつきに関するガイドラインがあります。通常、彼らは苦情がある場合にのみ測定を実行します。風力タービンなどの一部の特別なシステムを除いて、設備の定期的なテストはほとんどありません。
大量に製造される電気製品は、フリッカーの製品基準を満たさなければならない場合があります。最もよく知られている国際製品規格は、IEC 61000-3-3、またはヨーロッパEN 61000-3-3であり、フェーズごとに最大16Aの定格の製品のテストと制限を提供します。欧州連合では、この規格はEMC指令の下で調和されているため、その範囲内の機器は、CEマークを付けて、EUで市場に出すために、通常、この規格に準拠する必要があります。 75 Aまでの定格電流には、IEC61000-3-11が適用されます。規格には、敏感な0.5 Hz〜20 Hzの繰り返し周波数範囲に厳しい制限がありますが、25Hzを超える制限はありません。
ちらつきの基準はすべて、電灯の動的挙動と人間の目と脳の感度を考慮した測定と評価を必要とします。ちらつき曲線（後述）は、タングステンフィラメント電球に基づいています。これらは、電圧と電力の二乗法則の関係のため、電圧にかなり敏感です。一方、熱質量は、急激な変動を滑らかにする傾向があることを意味します。もちろん、フィラメント電球は今では珍しくなりつつあります。蛍光灯は、スムージング効果が少ない別の特性を持っています。 LEDランプにはレギュレーターが付いていることが多いため、調光スイッチで使用するように設計されている場合を除き、電圧の影響を受けません。規格は将来、最新のランプの動作を反映するように更新される可能性がありますが、テスト機器の交換と製品の再テストの変更にかかるコストは歓迎されません。フィラメント電球に基づく制限は、今後数年間は続く可能性があります。
インターハーモニクス
インターハーモニクスは、供給周波数の整数倍ではない不要な周波数であるため、スペクトル内の高調波の間にあります。それらが真の高調波に近い場合、それらは供給電圧の明らかな変調をもたらす可能性があります。フィラメントランプのような単純な抵抗負荷では、周波数が高く、ランプは二乗平均平方根の移動平均にのみ敏感であるため、ちらつきは発生しません。電圧。ただし、整流器またはその他の非線形負荷は、和と差の周波数を生成する可能性があります。これには、高調波が供給周波数の整数倍に近い場合に低周波数が含まれる可能性があります。図3は、インターハーモニックが5.2次である例を示しています。ピーク振幅は目に見えて変調されていますが、r.m.s。電圧はそうではなく、これはちらつきとして測定されません。この種の波形は、スイッチング周波数が電源と位相ロックされていない回生ドライブまたはその他の有効電力コントローラーで発生する可能性があります。
ちらつきの原因
ちらつきは常に電源から引き出される電流の変動によって引き起こされ、その結果、電源電圧が変動し、それが照明を含む他の負荷に影響を及ぼします。考えられる情報源はたくさんあります。以下のリストは、より一般的な情報源のいくつかを示しています。
単一のイベント：
- モーターを直接オンラインで始動します。これは、単一電圧低下の最も一般的な原因です。誘導電動機は、始動時に定格電流の3〜5倍の電流を消費します。始動電流が電圧と同相で遅れるため、通常は主に誘導性である電源インピーダンスの電圧降下により、電圧への影響が悪化します。 、抵抗性負荷の場合よりも大きくなります。
- 突入電流を充電するコンデンサを使用して、ドライブなどの大型電子機器を起動する
- 磁化突入電流で大型変圧器を始動する
- コンプレッサーまたはポンプを背圧で始動すると、始動トルクが高くなります
頻繁なランダムイベント：
- アーク炉
- アーク溶接機
- 頻繁に重い負荷のピークが発生する機械。ミキサー、プレスなど
定期的またはほぼ定期的なイベント：
- 自動スポット溶接機
- 往復ポンプまたはコンプレッサー、または同様の脈動負荷。
- 負荷を切り替えることで機能するサーモスタットまたはその他のコントローラー–特に頻繁に動作するソリッドステートスイッチの場合。
- バースト発射サイリスタまたはトライアックコントローラー
フリッカーに対する可変速ドライブの影響
ドライブ自体
ドライブ自体がちらつきを引き起こす可能性がある唯一の方法は、電力が供給されたときに突入電流を充電するコンデンサを使用することです。制御技術ドライブは、突入電流が定格入力電流を超えないように設計されているため、電圧降下は定格電力での通常の動作によって引き起こされる電圧降下を超えません。
制御システム
ドライブが急速に変動する電力出力を生成するシステムにある場合、これはちらつきを引き起こす可能性があります。これは、プログラムされた定期的な動作、またはフィードバック制御ループのわずかな安定性が原因である可能性があります。制御システムは、過度のちらつきを引き起こさないことを確認するために評価する必要があります。
複数の軸があり、周期的な動きが速い機械では、電力のピークが連続して発生するように制御を調整できる場合があります。これにより、フリッカー周波数に軸の数を掛けることができ、25Hzを超えて移動すると問題が解消される可能性があります。
負荷
モーター始動
ドライブは、モーターの始動によって引き起こされる突然の電圧降下を完全に排除します。モーターの周波数と電圧が制御された方法で上昇してモーター電流が制限されるだけでなく、駆動入力電流は出力電流ではなく出力電力に比例するため、入力電流はモーターとしてのみ上昇します速度が上がります。代替手段が供給システムの高価な補強である場合、ドライブが過度の電圧降下を引き起こさずに始動するという利点のためだけに価値があるアプリケーションがあります。
往復ポンプなどの脈動負荷
ドライブのDCリンクコンデンサに蓄積されるエネルギーは非常に限られており、フリッカーサイクルをスムーズにするのに十分ではないため、負荷電力が変動すると、ドライブの入力電流も同じように変動します。特別な対策を講じない限り、ドライブは変動する負荷を補正しません。
通常、ドライブは脈動する負荷によって引き起こされるちらつきのレベルに違いはありませんが、ドライブがこの影響を悪化させる可能性があります ：
- まず、速度を下げることにより、脈動周波数が、ちらつきが知覚できる臨界25Hzポイントよりも低くなる可能性があります。
- 第2に、駆動システムが脈動する負荷トルクで厳密な速度制御を行うように構成されている場合、トルクサイクルでモーターが減速および加速するのを防ぐため、電力変動を高めることができます。これにより、取り付けられている場合はフライホイールを含め、機械の慣性に蓄積されたエネルギーの利点が減少します。トルクサイクル内で速度を厳密に制御する特別な理由がない限り、閉ループ速度制御または脈動負荷によるスリップ補償を使用することはお勧めできません。機械的に蓄積されたエネルギーを利用するには、トルクに応じて速度を変化させる方が実際には優れています。
閉ループ速度制御を使用する必要がある場合は、主に積分コントローラーを低ゲインで実装するのが最適です。このようにして、平均速度は正確に制御されますが、コントローラーは、誘導モーターのスリップによって引き起こされるサイクル内の自然な周期的変動に抵抗しません。可変速ドライブは高速で正確な速度制御を提供すると考える傾向があるため、この提案は直感に反しているように見えますが、実際には速効制御は、エネルギーを蓄える際のフライホイールやその他の慣性の利点を減らします。
上記の説明は、誘導電動機に当てはまります。永久磁石モーターを使用すると、速度は本質的に厳密に調整され、トルクの脈動は入力電力として直接反映され、ローターがスリップしていくらかの減少が生じる可能性はありません。特別な制御アルゴリズムをドライブにプログラムすることができます。これにより、長期平均速度を目的の値に保ちながら、回転サイクル内でトルクが上昇するにつれて速度を動的に低下させることができます。これは電力を一定に保つ傾向があり（電力=トルクx速度）、入力電流を決定するのは電力です。 ControlTechniquesはこのための特許を取得したアプリケーションを持っています。これにより、一部のアプリケーションで機械設計に有用なコスト削減がもたらされる可能性があります。たとえば、多気筒往復ポンプまたはコンプレッサーが単気筒のものに置き換えられる場合があります。
フリッカーの制限
フリッカーは、標準IEC61000-4-15で定義されている「フリッカーメーター」を使用して測定されます。機器の制限は、IEC61000-3-3やIEC61000-3-11などの規格で設定されています。
ちらつきの測定は、供給電圧の変動です。製品テストの場合、テストシステムには、標準で定義されているシミュレートされた主電源インピーダンスを含める必要があります。 IEC 61000-3-3の制限は、インピーダンスが（0.4 + j0.25）Wの230 V 50 Hz電源に基づいています。これは、非常に「弱い」電源、つまり短絡電流が少ない電源をシミュレートします。
図4は、230 V 50 Hz電源の場合の、IEC61000-3-3からの単純な繰り返し長方形電圧変化の制限を示しています。周波数軸は、1秒あたりの完全なサイクルを表します。つまり、各サイクルは2つの等しいが反対のステップで構成されます。他のパターンを評価するためのさらなるルールがあります。この図は、約0.5 Hz〜20Hzの臨界周波数範囲で許容される低いレベルを明確に示しています。
ちらつきを減らす
可変速ドライブの使用が、モーターの始動または脈動する負荷からのちらつきを減らすのに役立つ可能性がある方法については、すでに検討しました。
従来の方法には、トルクを滑らかにするための多気筒往復ポンプとフライホイールの使用が含まれます。
大きな電力の脈動が避けられない場合は、他の負荷と共有されるケーブルの電圧降下を回避するために、電源接続をサイトの入力電力供給に電気的に近づける必要があります。照明回路も、入力電源の近くに個別に接続する必要があります。
極端な場合、インピーダンスの低い新しい電源を取り付ける必要があるかもしれません。コストが高いことを考えると、可変速ドライブを創造的に使用することでコストを回避できる可能性を探る価値があります。
産業技術