フリッカの理解：電力品質への影響と可変速ドライブによる解決
このブログでは、フリッカというテーマを取り上げます。視点によっては電力品質の問題、あるいは電磁両立性（EMC）の問題と見なされます。可変速ドライブがフリッカを引き起こす可能性があるか、またフリッカ問題の解決に役立つ場面があるかを検討します。
「フリッカ」とは、電源電圧が急速に変動した際に電灯に見える効果を指します。大負荷の急激な投入・遮断による単発のディップやフラッシュから、人間の目と脳が特に敏感な周波数帯域（約0.5Hz〜20Hz）で電圧が変調されることによる、イライラするような急速なチラツキまで様々です。
フリッカは高調波や他の電力品質問題と混同されがちです。高調波は定義上、電源周波数の整数倍の周波数であり、目が反応するには周波数が高すぎます。しかし、フリッカも高調波電圧も、負荷電流が電源インピーダンスによって電圧に影響を与えることで生じるため、長い電源線路などで電源インピーダンスが高い場所では、高調波電圧問題とフリッカ問題が同時に発生することがあります。
図1は、電源周波数の1/5でシミュレートしたフリッカを含む誇張波形を、図2はシミュレートした第5高調波を示します。図2では毎サイクル同じ形状で歪むため、フリッカは発生しません。
図1：フリッカ波形（電源周波数の1/5で変調）
図2：第5高調波波形（フリッカなし）
電力供給事業者は、電力品質が目的に適していることを保証しなければならず、フリッカに関するガイドラインを持っています。一般的に苦情がある場合のみ測定を行い、一部の特別システム（風力タービンなど）を除き、定期的な設置試験は稀です。
大量生産される電気製品は、製品規格としてフリッカ基準を満たす必要がある場合があります。最も有名な国際製品規格はIEC 61000-3-3（欧州ではEN 61000-3-3）で、相あたり16Aまでの製品に対する試験と限度値を定めています。EUではこの規格がEMC指令の下で調和されているため、適用範囲内の機器は一般的にCEマーキングとEU市場への上市のためにこれに準拠しなければなりません。相あたり75AまでにはIEC 61000-3-11が適用されます。これらの規格は、感度の高い0.5Hz〜20Hz繰り返し周波数範囲に厳しい限度値を設けますが、25Hz以上には限度値がありません。
フリッカに関するすべての規格は、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要求します。フリッカカーブ（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。電圧と電力の二乗関係により電圧に敏感ですが、熱容量により急速な変動を平滑化する傾向があります。もちろんフィラメント電球は今や珍しくなりました。蛍光灯は平滑化効果が少ない異なる特性を持ちます。LEDランプは多くの場合レギュレータを備え、調光器対応設計でない限り電圧変動の影響を受けません。将来的には最新ランプの挙動を反映して規格が更新される可能性がありますが、試験装置の入れ替えと製品再試験のコストは歓迎されません。フィラメント電球ベースの限度値が当面継続する可能性が高いです。
間高調波（インターハーモニクス）
間高調波は、電源周波数の整数倍ではない不要周波数で、スペクトル上では高調波の間に位置します。真の高調波に近い場合、電源電圧の見かけ上の変調を引き起こ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が電圧の実効値の移動平均のみに感応するため、フリッカを引き起こしません。しかし、整流器やその他の非線形負荷では、和周波数と差周波数が生成され、間高調波が電源周波数の整数倍に近い場合、低周波成分を含むことがあります。図3は、間高調波が5.2次である例を示します。ピーク振幅は目に見えて変調されていますが、実効電圧は変調されず、フリッカ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同期されていない回生ドライブやその他のアクティブ電力制御装置で発生し得ます。
図3：5.2次間高調波による波形（ピーク振幅変調あり、実効値変調なし）
フリッカの原因
フリッカは常に、電源から引き出す電流の変動によって引き起こされ、その結果生じる電源電圧変動が照明を含む他の負荷に影響を与えます。考えられる原因は多岐にわたりますが、主なものを以下に示します。
単発イベント：
- モータの直入始動。これが単発電圧ディップの最も一般的な原因です。誘導モータ始動時は定格電流の3〜5倍を引き、始動電流が電圧に対して位相遅れするため、通常誘導性が支配的な電源インピーダンスでの電圧降下が、抵抗負荷よりも大きくなります。
- コンデンサ充電突入電流を伴うドライブなど大型電子機器の始動
- 励磁突入電流を伴う大型変圧器の始動
- 背圧のあるコンプレッサやポンプの始動、高い始動トルクを引き起こす
頻繁なランダムイベント：
- アーク炉
- アーク溶接機
- 頻繁な重負荷ピークを受ける機械（ミキサー、プレス等）
周期的またはほぼ周期的なイベント：
- 自動スポット溶接機
- レシプロポンプ/コンプレッサ、または類似の脈動負荷
- サーモスタットや負荷をスイッチングするコントローラ（特に高頻度動作可能な固体スイッチ使用時）
- バーストファイアリングサイリスタ/トライアックコントローラ
可変速ドライブのフリッカへの影響
ドライブ自体
ドライブ自体がフリッカを引き起こす唯一の経路は、投入時のコンデンサ充電突入電流です。Control Techniquesドライブは、突入電流が定格入力電流を超えないよう設計されているため、電圧ディップは定格出力での正常運転時を超えません。
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組み込まれている場合、フリッカ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周期動作や、フィードバック制御ループの限界安定性によって引き起こされることがあります。いずれの制御システムも、過大なフリッカを引き起こさないよう評価すべきです。
複数軸と高速周期動作を持つ機械では、制御を配置して電力ピークが順次発生するようにすれば、フリッカ周波数を軸数倍にでき、25Hzを超えれば問題を解消できる可能性があります。
負荷側
モータ始動
ドライブは、モータ始動による突発的な電圧降下を完全に排除します。モータ周波数と電圧が制御された方法でランプアップするためモータ電流が制限されるだけでなく、ドライブ入力電流は出力電流ではなく出力電力に比例するため、モータ速度上昇に合わせて入力電流のみがランプアップします。代替案が高価な電源システム増強となる用途では、過大な電圧降下なしで始動できるというメリットだけでドライブ導入の価値があります。
レシプロ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は非常に限られた蓄積エネルギーしかなく、フリッカサイクルを平滑化するには不十分です。したがって、負荷電力が変動すれば、ドライブ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、ドライブは変動負荷を補償しません。
通常、ドライブは脈動負荷によるフリッカレベルに変化を与えませんが、この効果を悪化させる可能性があります：
- 第一に、速度を低下させることで脈動周波数を、フリッカが知覚される臨界点である25Hz以下に下げてしまう可能性があります。
- 第二に、脈動負荷トルクに対して緊密な速度制御を行うようにドライブシステムを設定すると、モータがトルクサイクル内で減速・加速することを防ぐため、機械の慣性（フライホイール装備時を含む）に蓄積されたエネルギーの恩恵が減少し、電力変動を増幅させる可能性があります。トルクサイクル内で速度を緊密に制御する特別な理由がない限り、脈動負荷に対してクローズドループ速度制御やスリップ補償を使用するのは推奨しません。むしろ、トルクに合わせて速度を変動させ、機械的蓄積エネルギーを活用する方が良いです。
クローズドループ速度制御が必須の場合、ゲインを低くした主に積分制御を実装するのがベストです。これにより平均速度は精密に制御されますが、コントローラは誘導モータのスリップによるサイクル内の自然な周期変動を抑制しません。この提案は直感に反するように見えます。VSDは高速・高精度速度制御を提供すると考えがちですが、実際には高速応答制御がフライホイールやその他の慣性によるエネルギー蓄積の恩恵を減らすからです。
上記は誘導モータの場合です。永久磁石モータでは速度が本質的に緊密に制御され、トルク脈動がロータスリップによる緩和なしに直接入力電力に反映されます。ドライブに特別な制御アルゴリズムをプログラムし、回転サイクル内でトルク上昇に合わせて動的に速度を低下させつつ、長期平均速度を目標値に維持することが可能です。これにより電力（トルク×速度）をほぼ一定に保ち、入力電流を決定する電力を一定化できます。Control Techniquesはこの用途で特許を取得しています。一部の用途では、機械設計コスト削減に役立つ可能性があります。例えば、多気筒レシプロポンプ/コンプレッサを単気筒で置き換えられるかもしれません。
フリッカ限度値
フリッカは、IEC 61000-4-15で定義される「フリッカメータ」で測定されます。機器の限度値はIEC 61000-3-3、IEC 61000-3-11などの規格で設定されています。
フリッカ測定は電源電圧変動の測定です。製品試験では、規格で定義される模擬電源インピーダンスを含む試験システムが必要です。IEC 61000-3-3の限度値は、230V 50Hz電源でインピーダンス(0.4 + j0.25)Ω、つまり非常に「弱い」電源（短絡電流が低い）をシミュレートしています。
図4は、IEC 61000-3-3による単純な繰り返し矩形電圧変化の限度値を示します（230V 50Hz電源）。周波数軸は1秒あたりの完全サイクル数を表し、各サイクルは等しい逆向きの2ステップで構成されます。他のパターン評価のための更なるルールがあります。この図は、約0.5Hz〜20Hzの臨界周波数範囲で許容レベルが非常に低いことを明確に示しています。
図4：IEC 61000-3-3によるフリッカ限度値（矩形波変化の場合）
フリッカ低減
モータ始動や脈動負荷からのフリッカ低減における可変速ドライブの活用方法は既に検討しました。
従来の方法には、多気筒レシプロポンプによるトルク平滑化、フライホイール使用があります。
大電力脈動が避けられない場合、電源接続を現場受電点に電気的に近接させ、他負荷と共有するケーブルでの電圧降下を避けるべきです。照明回路も同様に、受電点近くで別系統接続すべきです。
極端な場合、より低インピーダンスの新規受電が必要になることがあります。高コストを考慮すると、可変速ドライブの創造的な活用でコスト回避できる可能性を検討する価値があります。
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