高調波入門：パート1

ControlTechniquesのチーフエンジニアであるColinHargisが、この2部構成のブログで高調波の紹介を提供しています。パート2はこちらから入手できます。

このブログは、特に可変速インバータードライブに関連して、電力高調波の主題の紹介です。それらが何であるか、そしてそれらが何をするかを簡単な言葉で説明し、それらを無線周波数干渉や電気的「ノイズ」などの他の電磁両立性（EMC）効果と区別することを目的としています。

簡単にするために、例では主に50Hzの供給周波数を想定しています。 60 Hzを使用するエリアで作業する場合は、周波数を適切にスケーリングする必要があります。

ハーモニクスの概要？

周期関数の高調波の周波数は、関数の周波数の整数倍です（これが基本波です）。電力工学では、このアイデアは主に、電圧源が正弦波であるが電流が歪んでいる非線形電力負荷の影響を理解するのに役立ちますが、それでも同じ周期です。フーリエ級数の概念を使用して、歪んだ周期波形をいくつかの高調波の合計として表すことができます。

たとえば、単純な単相ブリッジ整流器は、図1に示すように、電圧ピークでの一連の短いパルスである電流を引き込みます。

図1：単純な単相ブリッジ整流器の電流波形

電流は、その構成周波数に分析できます。図2に示すように、一連の奇数次高調波で構成されています。

図2：図1の電流の周波数分析

この分析の利点は、電気部品の動作を特定の正弦波周波数の観点から理解および定義するのが最も簡単なことです。

この場合、主電源周波数が50 Hzの場合、約30のオーダー、つまり1500Hzまでの高調波電流が非常に重要であることがわかります。それを超えて、それらは急速に減少します。 3次、5次、7次、9次の低次高調波は振幅が非常に大きく、基本波（50 Hz）よりもはるかに小さくありません。

負と正の半サイクルが同じ形状の場合、奇数次高調波のみが存在します。三相電力回路では、トリプルn高調波（3、6、9、12など）も同相であるため存在せず、3線回路では同相電流が遮断されます。

高調波の厳密な定義と実用的な定義。インターハーモニクス。

真の高調波は、基本波の正確な整数倍である周波数のみを持つことができます。整流器や鉄心磁気部品などの最も単純な非線形デバイスは、真の高調波電流を生成します。

供給周波数と同期されていない可能性があるアクティブスイッチングを使用する最新のパワーエレクトロニクス回路では、真の高調波ではない新しい周波数が存在する可能性があります。たとえば、回生ドライブのブログ番号4と5で説明したように、60Hzの電源で4kHzのスイッチング周波数で動作するインバーターは、3880Hzと4120Hzの周波数、およびその他の多くの周波数で電流を生成します。 60 Hzの整数倍ではないため、真の高調波ではありません。これらの正しい用語はインターハーモニクスです。 。それらは依然として不要な周波数であり、それらの影響の一部は高調波の場合と同じであるため、一般的な説明では、単に「高調波」と呼ばれることがあります。これは混乱を引き起こす可能性があるため、真の高調波について話しているのか、あらゆる種類の歪みについて話しているのかを明確にするのが最善です。

どのような効果がありますか？

図1と図2を再度参照すると、主電源に整流器が接続されています。電源は正弦波であり、50Hzの単一周波数を持っています。整流器は、電源に流れる高調波電流を生成します。 整流器は、高調波周波数の電流源であり、電源に放出されて電力システムの周囲に広がります。 図3はこれを示しています。高調波電流は負荷から放出され、電源のソースインピーダンスに高調波電圧を発生させます。この電圧は、同じ共通結合点（PCC）に接続されている他のパワーユーザーが経験します。

図3：電力ネットワークにおける高調波の伝搬

高調波の周波数範囲は100Hzから約2500Hzです（通常は約50で停止しますが、一部の当局は100または200でさえ見ています。高調波測定の標準は9 kHzで停止します）。最初の興味深い点は、これらが電磁スペクトルの非常に低い周波数であるということです。これは、図4に示すスペクトルに示されています;

図4：電力高調波の位置を示す簡略化された電磁スペクトル

「無線周波数」は一般に9kHzから始まると考えられており、実際、有用な電磁波を生成するのが難しいため、約100kHz未満の無線アプリケーションはほとんどありません。これは、高調波が波として伝播せず、電力システムの配線の周りの伝導によってのみ伝わるということを意味します。それらは、電源線を介して他の機器に伝導されるだけで、漂遊結合による干渉を引き起こしません。それらを考慮する必要がある理由は、それらが累積的であるためです。したがって、テレビセット内の1つの整流器はごくわずかな効果しかありませんが、数百万のテレビセットが同時に動作する場合、それらの高調波は同じ周波数と位相を持つため、合計されます。電源システム。全体的な効果は、正弦波電圧波形を歪めることです。図5は、整流器によって引き起こされる「フラットトップ」歪みの種類を示しています。

図5：整流器の高調波によって引き起こされる電圧歪み

電力系統の適度なレベルの高調波電流は問題ではありませんが、それが過剰になると、問題が発生する可能性があります。電力システムにおける過剰な高調波の考えられる影響のいくつかを以下に示します。これらはすべて非常に珍しいものですが、発生した場合、修正が困難で費用がかかる可能性があります。

• 周波数に敏感な電気機器の加熱の増加、特に：
  • 力率補正用コンデンサ
  • 誘導モーター
  • トランスフォーマー
  • 発電機（例：バックアップ電源などの小型のローカル発電機）
• 変圧器、バスバーなどの音響ノイズ
• タイミングに主電源周波数を使用する機器のエラー（現在は一般的ではなくなりました）
• 波形の歪みに応答するUPSシステムの不要なトリガー
• アナログサウンドシステムでのノイズピックアップ。劇場または教会
• 電力システム保護リレーの不要なトリップにより、公共供給が失われる

高調波に関する深刻な問題は、かなり特殊な場合を除いて珍しいものです。一例は、限られた電力能力と多数のドライブまたは他の整流器を備えた独自の発電機を備えた船です。ただし、電力会社は、稼働中の数百万の小型家電製品からの高調波の蓄積を経験しており、公共供給の5次高調波が限界値にある場所があります。

「ノイズ」

高調波の影響には、一般に「電気ノイズ」と呼ばれる電子回路への妨害の種類は含まれないことに注意してください。これは、アナログドライブシステムのノイズや振動、および/またはデジタルデータリンクのデータエラーを引き起こす傾向があります。この理由は次のとおりです。

• 高調波の周波数が低すぎるため、隣接する電気回路間の誘導による大きな漂遊結合が発生しません。ほとんどの電気的干渉は、電磁的に結合できるはるかに高い周波数、またはアース（アース）接続の浮遊インダクタンスによって引き起こされます。

高調波は、電源回路でのみ直列モード電流として伝搬されます。つまり、高調波は、アース（アース）接続ではなく、電力システムの電力導体を伝わります。高周波の「ノイズ」は通常、コモンモードです。つまり、導体を伝わり、回路はアース（アース）によって完成します。詳細については、図6を参照してください。

図6：単相電源回路の直列モード（a）とコモンモード（b）

ハーモニックデータ：入力と出力、電圧と電流

ドライブのユーザーは、ドライブの高調波データを要求することがあります。入力または出力、および電流または電圧を参照している可能性があるため、混乱する可能性があります。次の表は、各場所に関連するデータをまとめたものです。

出力高調波データの要求は、準二乗技術を使用し、動作周波数の非トリプルn高調波を含む、前世代のインバータードライブに関するユーザーの以前の経験に起因する場合があります。 PWMを使用すると、高調波は無視できます。

表を要約すると、特定のドライブモデルの特性である唯一の高調波データは入力電流データです。リクエストに応じてサプライヤーから入手できるはずです。

高調波ブログのパート2では、高調波の測定と評価の方法、ドライブの負荷に応じて高調波がどのように変化するか、および高調波を減らす必要がある場合に何ができるかについて説明します。