高度な高調波対策：第2部－効果的な戦略と測定
このミニシリーズ第2部では、Colin Hargisが高調波の効果的な管理について考察します。第1部はこちらから。
高調波測定
個々の高調波電流や電圧は実効値で測定・表示できます。多くの場合、基本波に対するパーセンテージで表されます。高調波測定器は、デフォルトでパーセンテージ表示するのが一般的です。
高調波データ、特に電流データの評価には注意が必要です。負荷電力が低いため基本波電流が小さい場合、パーセンテージ表示の高調波が大きく見えます。これは誤解を招きます。ドライブのデータは定義された負荷電力での値です。負荷が軽いと、高調波電流の絶対値は減少しますが、基本波に対するパーセンテージでは増加します。
これは図7で示されています。図7(a)は、電力増加に伴い電流と第5、第11高調波などの主要高調波が増加する様子を、図7(b)は、主要高調波とTHDが基本波に対するパーセンテージで表示される場合、負荷電力増加に伴い減少する様子を示しています。
図7：負荷電力に伴う電流と高調波の変化、（a）絶対値、（b）基本波電流に対する%
ドライブでは、ユーザーが入力電流がトルクと速度の積であるシャフト出力電力の関数であることを理解しないと、特に誤解を招きやすいです。ドライブが定格トルクを低速で出力している場合、出力電流が最大定格近くなのでインバータ段がその電流を担い、期待される電力損失を熱として生成しているため、「高負荷で動作している」ように見えます。しかし実際の電力スループットは低く、入力電流も低くなります。
THD、VTHD、ITHD、歪み率と力率
高調波の総合的な影響を測るシンプルな単一パラメータは、全高調波歪み率（THD）です。これは、すべての高調波の実効値の合計と基本波の比率（%）です。電圧と電流ではそれぞれVTHD、ITHDと呼ばれます。
再び注意が必要ですが、ITHDは軽負荷で大きく見えます。
電力工学では、電流が電圧と位相がずれている場合に有効電力の伝送が減少する度合いを測るために力率が一般的に使用されます。
電流と電圧が正弦波の場合、これはcos φに等しくなります。
高調波電流が存在し、電圧が正弦波のままと仮定すると、力率は2つの要因に分解できます：
力率 = 歪み率 × 位相差率
ここで、歪み率は歪みによる有効電流減少を測り：
歪み率 = 1 / √(1 + THD²)
位相差率は位相シフトによる減少を測ります：
位相差率 = cos φ
これらの要因の意味を、モータを商用電源直結で運転する場合とドライブ使用の場合で比較して説明します：
モータ単体では力率が低い（遅れ力率）ですが、ドライブ併用では高調波電流が主因で力率が低下します。しかし、どちらの場合も電源から引き出す全負荷電流は非常に似ています。モータ単体では電流が電圧に対して位相遅れするため電流が増加し、モータ+ドライブでは主に高調波電流が原因です。
歪み率とTHDは、歪みレベルまたは総高調波の代替指標であり、以下の関数で関連します：
歪み率 = 1 / √(1 + THD²)
（THDはパーセントではなく分数で表す）
高調波の管理。製品の高調波電流データ。
電力供給事業者は、過大な高調波から電力システムと電力利用者を保護するルールを運用しています。各電力利用者は、ルール準拠を確保する責任があります。欧州連合など一部地域では、大量使用される電気製品からの高調波放出がEMC法令の一部として規制されています。これにより、家庭用および中小事業者は特別な対策を講じる必要がありません。特殊機器を使用する大規模産業ユーザーは、自らの高調波放出が過大でないことを確保しなければなりません。最も一般的には、電力会社から新規受電を必要とする新規設置提案時に、受電条件としてルールが適用されます。
ルールは国により異なりますが、原則は同じです。主要な段階は以下の通りです：
- 電力会社は最終的に、自社供給電圧の高調波が許容レベルを満たすことを保証しなければなりません。例えばEUでは電力品質はEN 50160で規定されます。一般的に、各利用者に高調波電圧「予算」を配分します。前述の通り、高調波電圧は高調波電流が電源インピーダンスと既存高調波（場所ごとに固有）と相互作用して生じるため、予測には複雑な計算と測定が必要で、典型的な産業設置では正当化困難です。
- したがって、一般的に電力会社は簡易ルールを設け、受電容量や利用者のピーク/平均電流需要に依存する限度まで高調波電流を許容します。関連機器すべての高調波電流データを特定の受電点で合計することで、電流を推定する方がはるかにシンプルです。このため、ドライブなど顕著な高調波電流を生成する業務用機器には、ユーザーが利用できる高調波電流データが必要です。Control Techniquesは、すべてのドライブ製品の高調波電流データをEMCデータシートとして無料提供しています。
- 特定の設置で電流が許容限度を超える場合、技術的対策で低減するか、より複雑な調査で設置による高調波電圧を評価する必要があります。
- 一方、EUのような単一市場で全機器が調和規格を満たしていれば、上記の作業は不要です。
規格
設置関連では、多くの電力会社が独自の規制を運用しているため、非常に多くの国内規格があります。特に有名なのはIEEE 519です。
電力品質規格にはIEC 61000-2-4があり、「相溶レベル」として産業用低圧電源の最大許容高調波レベルを定義しています。IEC規格は強制力を持ちませんが、電力会社はしばしばIEC規格の限度値を自社規制の出発点として使用します。
エンド製品向けには、相あたり16AまでのIEC 61000-3-2、相あたり75AまでのIEC 61000-3-12があります。EN 61000-3-12などの欧州版は、EEA市場に上市されるエンド製品に実質的に義務付けられます。
ドライブがこれらの規格の適用範囲内の機器に組み込まれる場合、高調波放出の主要な要因となる可能性が高いです。Control Techniquesドライブでは、EN 61000-3-12準拠のために小型の追加入力チョークが必要です。詳細はEMCデータシートに記載されています。
負荷の影響
ドライブを含む機械の高調波適合性チェックでよく遭遇する問題は、正しい定格負荷電力の問題です。テスト負荷が定格負荷より軽かったために製品が試験不合格になったという苦情を受けたことがあります。これはアプリケーションがドライブの全能力を使用しない場合や、EMC試験室で機械をフル負荷できない場合に起こります。機械は往々にして大型で汚れたり困難な材料で動作することを意図しており、それらを試験室に持ち込めないため、試験室で現実的な負荷を作るのはしばしば困難です。要求規格を確実に満たすためには、以下を遵守しなければなりません：
- 追加入力チョークは、アプリケーションの意図した最大連続負荷電力（ドライブ定格とは限らない）で正しいものを選定する。
- 機械内の他の高調波発生機器を考慮する。
- 試験時の負荷を定格負荷と等しくする。必要なら試験治具に一時的なブレーキや負荷装置を設ける。
高調波低減
シンプルな整流器が生成する自然な高調波レベルは、インダクタンスの追加で大幅に低減できます。これはドライブDCリンクまたはAC入力側に配置できます。約2.2kW以上のほとんどのドライブは三相電源を使用し、インダクタンスを提供するチョークを内蔵しています。図8はこの種のドライブの典型的な電流波形を示します。図1より波形がかなり改善されているのがわかりますが、正弦波からはまだ程遠いです。この場合ITHDは約50%、最悪の高調波は第5次で約40%です。
図8：三相電源・入力チョーク内蔵ドライブの典型的な入力電流波形
このレベルの高調波は、3kWから数百kWの範囲で、ほとんどの用途に適しています。センシティブな用途や、総ドライブ電力が受電容量に近づく場合、さらなる高調波低減が必要になることがあります。以下の表に主要な手法とその相対的メリットをまとめます。
（表：高調波低減手法とメリット）
スインギングチョーク
「スインギングチョーク」の使用が一部ドライブメーカーによって推奨されています。スインギングチョークは1920年代の発明で、当時はラジオのDC平滑用に使用されました。段付きまたはプロファイル付きエアギャップを持つ設計で、DC電流増加に伴い磁気回路の一部が飽和し、インダクタンスが減少します。結果として、低電流ではインダクタンスが増加し、前述の「負荷電力範囲で高調波限度値を満たす問題」を、インダクタンス値が負荷に適応することで緩和します。
スインギングチョークはドライブメーカーにメリットがあり、多様なドライブ定格に対応する異なるチョーク値の在庫を削減できます。ユーザーにとっては、追加チョークなしで軽負荷でも高調波規格を満たせる可能性があります。実際には、広い負荷範囲で機能するスインギングチョークを設計するのはかなり困難で、実質的なメリットは小さいです。
産業技術