高調波入門：パート2
このミニシリーズの第2部では、ColinHargisが高調波の効果的な管理について説明します。パート1はこちらから入手できます。
高調波測定
個々の高調波電流または電圧は、r.m.sで測定および見積もることができます。量。多くの場合、それらはファンダメンタルのパーセンテージとして表すことができます。高調波測定器では、デフォルトで高調波をパーセンテージで表示するのが非常に一般的です。
高調波データ、特に現在のデータの評価には注意が必要です。負荷電力が低いために基本波電流が低い場合、パーセンテージで表される高調波は高く見えます。これは誤解を招く可能性があります。ドライブに提供されるデータは、定義された負荷電力になります。負荷が減少すると、高調波電流は絶対値で減少しますが、基本波のパーセンテージとして増加します。
これを図7に示します。図7（a）は、電流と5次高調波などの主要な高調波がどのように発生するかを示しています。 および11 th パワーが増加するにつれて増加します。図7（b）は、基本波のパーセンテージとして表した場合、負荷電力が増加するにつれて、主要な高調波とTHDがどのように低下するかを示しています。
図7：負荷電力による電流と高調波の変化。（a）絶対量と（b）基本電流の％で表されます
ドライブでは、入力電流がパワーの関数、つまりシャフトのトルクと速度の積であることをユーザーが理解できない場合、これは特に誤解を招く可能性があります。ドライブが低速で定格トルクを供給している場合、出力電流が最大定格に近く、インバーターステージがその電流を運び、予想される電力損失を熱として生成するため、「懸命に働いている」ように見える場合があります。ただし、実際の電力スループットは低いため、入力電流も低くなります。
THD、VTHD、ITHD、歪み係数、力率
高調波の全体的な影響を測定するための単純な単一のパラメータは、全高調波歪み、THDです。これは、r.m.s間の比率（％）です。すべての高調波の値を合わせて、基本波。電圧と電流については、それぞれVTHDとITHDと呼ばれることがあります。
負荷を減らすと高く見えるため、ITHDには注意が必要です。
電力工学では、力率は一般に、交流が電圧と同相でない場合に交流によって運ばれる有効電力の減少を測定するために使用されます。
電流と電圧が正弦波の場合、これはcoso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であると仮定すると、力率は2つの要因に分解できます。
歪み係数が歪みによって引き起こされる有効電流の減少を測定する場合：
そして、変位係数は、位相シフトによって引き起こされる減少を測定します：
これらの要因の意味は、電力線から直接、またはドライブを使用して動作するモーターを検討することで説明できます。
したがって、モーターの力率はどちらの場合も非常に似ています。つまり、主電源から引き出される全負荷電流は非常に似ています。ただし、モーターだけの場合、電流の増加は完全に電流が電圧と同相で遅れるためですが、モーターとドライブの場合、これは主に高調波電流があるためです。
歪み係数とTHDは、歪みのレベル、つまり全高調波の代替測定値です。これらは次の機能によって関連付けられています：
（THDはパーセントではなく分数で表されます）
高調波の管理。製品の高調波電流データ。
電力供給ユーティリティは、電力システムと電力ユーザーを過度の高調波から保護するためのルールを運用しています。各パワーユーザーは、ルールに準拠していることを確認する責任があります。欧州連合などの一部の地域では、大量に使用される電気製品からの高調波の放出は、EMC法の一部として規制されています。これは、国内および中小企業のユーザーが特別な準備をする必要がないことを意味します。特殊機器の大規模な産業ユーザーは、高調波放射が過剰にならないようにする必要があります。最も一般的には、規則は、電力会社からの新しい電力供給を必要とする新しい設備が提案されたときに、その供給を提供する条件として適用されます。
ルールは国によって異なりますが、原則は同じです。主な段階は次のとおりです：
- 電力会社は、最終的に、電源の高調波電圧が許容レベルを満たしていることを確認する必要があります。たとえば、EUでは、電力品質は標準EN 50160によって管理されています。通常、各ユーザーに高調波電圧の「予算」が割り当てられます。前に説明したように、高調波電圧は、電源インピーダンスと相互作用する高調波電流と、すべての場所に固有の既存の高調波によって発生します。いくつかの複雑な計算と測定がそれを予測する必要がありますが、これは一般的な産業用設備には正当化されません。
- したがって、一般に、ユーティリティには、高調波電流を限界まで受け入れることができるいくつかの簡略化されたルールがあります。これは、電源接続の容量、またはユーザーのピークまたは平均電流需要に依存する場合があります。特定の供給ポイントに接続されているすべての関連機器の高調波電流データを追加することにより、電圧よりも電流を推定する方がはるかに簡単です。このため、大きな高調波電流を生成するドライブなどの専門機器では、ユーザーが高調波電流データを利用できるようにする必要があります。 Control Techniquesは、リクエストに応じて無料で入手できるEMCデータシートで、すべてのドライブ製品のこのデータを提供します。
- 特定の設備で、電流が許容限度を超える場合は、電流を減らすための技術的対策を講じるか、設備によって引き起こされる高調波電圧を評価するために、より複雑な調査を行う必要があります。
- 一方、すべての機器がEUなどの単一市場で統一された基準を満たしている場合、上記の作業は必要ありません。
標準
設置に関しては、多くの公益事業者が独自の規制を運用しているため、非常に多くの国内基準があります。特によく知られている規格の1つは、IEEE519です。
電力品質規格には、IEC 61000-2-4が含まれています。これは、この場合は産業用LV電源の最大許容高調波レベルである「互換性レベル」を定義しています。 IEC規格は必須ではありませんが、公益事業者は多くの場合、独自の規制の出発点としてIEC規格で指定された制限を使用します。
最終製品には、フェーズあたり最大16Aの定格の機器用のIEC規格IEC 61000-3-2と、フェーズあたり最大75AのIEC61000-3-12があります。 EN 61000-3-12などのヨーロッパ版は、EEAで市場に出される最終製品に事実上必須です。
ドライブがこれらの規格のいずれかの範囲内にある機器に組み込まれている場合、それは高調波放射の主な原因である可能性が非常に高くなります。制御技術ドライブの場合、EN 61000-3-12を満たすために、小さな追加の入力チョークを使用する必要があります。情報は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コンプライアンスをチェックするときに発生する一般的な問題は、正しい定格負荷電力の問題です。テスト負荷が定格負荷を下回っていることが判明したため、製品がテストに失敗したという苦情がありました。これは、アプリケーションがドライブの全機能を使用していないか、EMCテストラボでマシンを完全にロードできなかったことが原因である可能性があります。機械は、ラボに持ち込むことができない大きくて汚れた、または難しい材料で動作することを目的としていることが多いため、テストラボで現実的な負荷を作成することはしばしば困難です。必要な基準が満たされていることを確認するには、次の要件を遵守する必要があります。
- 追加の入力チョークは、アプリケーションの意図された最大連続負荷電力で正しくなるように選択する必要がありますが、これは必ずしもドライブ定格ではありません。
- マシン内の他の高調波発生装置を考慮する必要があります。
- 試験中の負荷は定格負荷と等しくなければなりません。必要に応じて、テストジグに何らかの一時的なブレーキまたはその他の負荷装置を設ける必要があります。
高調波の低減
単純な整流器によって生成される高調波の自然なレベルは、インダクタンスを追加することによって大幅に減らすことができます。これは、ドライブDCリンクまたはAC入力ラインにある可能性があります。定格が約2.2kWを超える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ためのチョークを備えています。図8に、この種のドライブの一般的な電流波形を示します。正弦波からはほど遠いものの、波形は図1よりもはるかに優れていることがわかります。この場合、ITHDは約50％であり、最悪の高調波は約40％で5番目です。
図8：三相電源と入力チョークを備えたドライブの一般的な入力電流波形。
このレベルの高調波は、3kWから数百キロワットまでの電力範囲にわたるほとんどのアプリケーションに適しています。敏感なアプリケーションの場合、および総駆動電力が電源の容量に近づき始める場合は、高調波をさらに低減する必要があります。以下の表は、利用可能な主な手法と、それらの相対的な利点に関する注意事項を示しています。
スイングチョーク
「スイングチョーク」の使用は、一部のドライブメーカーによって推進されています。スイングチョークは1920年代からの発明であり、DCスムージング用の一部のラジオセットで使用されていました。チョークは、DC電流が増加すると、磁気回路の一部が飽和し、インダクタンスが減少するように、階段状またはプロファイルされたエアギャップで設計されています。その結果、低電流ではインダクタンスが増加し、これは、負荷電力の範囲にわたって高調波制限を満たすという上記の問題を打ち消すのに役立ちます。これは、インダクタンス値が負荷に適応するためです。
スイングチョークは、さまざまなドライブ定格のさまざまなチョーク値の在庫を減らすことができるため、ドライブメーカーにメリットをもたらします。追加のチョークを必要とせずに、ドライブが低負荷で高調波基準を満たすことができるようにすることで、ユーザーにメリットがあります。実際には、広い負荷範囲で機能するスイングチョークを設計することは非常に難しいため、実際のメリットはわずかです。
産業技術