電気高調波の理解：第1部－基礎と影響

Control TechniquesチーフエンジニアのColin Hargisが、この2部構成のブログで高調波入門を解説します。第2部はこちらから。

このブログは、可変速インバータドライブに特化して、電気電力高調波の主題を紹介します。それらが何であり、何をするのかを平易な言葉で説明し、無線周波数干渉や電気「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ます。

簡単のため、例では主に50Hz電源周波数を前提とします。60Hz地域で働く方は、周波数を適切にスケーリングして読み替えてください。

高調波とは？

周期関数の高調波は、その関数（基本波）の周波数の整数倍の周波数を持ちます。電気電力工学では、この概念は主に非線形電力負荷の効果を理解するのに用いられます。電圧源は正弦波だが、電流は歪んでいるが周期は同じです。フーリエ級数の概念を用いると、歪んだ周期波形を複数の高調波の和として表現できます。

例えば、単相ブリッジ整流器は、電圧ピークで短いパルス電流を引き出します（図1参照）。

図1：単相ブリッジ整流器の電流波形

この電流を構成周波数に分析すると、図2に示すように奇数次高調波の系列で構成されます。

図2：図1電流の周波数分析

この分析のメリットは、電気部品の振る舞いを特定の正弦波周波数の観点から理解・定義しやすくなることです。

この場合、電源周波数50Hzで、約30次（1500Hz）までの高調波電流がかなり有意です。それ以上では急速に減衰します。3次、5次、7次、9次の低次高調波は振幅が非常に高く、基本波（50Hz）とさほど変わりません。

負と正の半サイクルが同形状なら、奇数次高調波のみ存在します。三相電力回路では、3倍数高調波（3, 6, 9, 12…）も存在しません。これらは同相（コファーザル）であり、3線式回路ではコファーザル電流が遮断されるためです。

高調波の厳密な定義と実用的定義。間高調波。

真の高調波は、基本波の正確な整数倍の周波数のみを持ちます。整流器や鉄心磁気部品などの単純な非線形デバイスは、真の高調波電流を生成します。

現代のパワーエレクトロニクス回路では、アクティブスイッチングが電源周波数と同期していない場合、新たな周波数が現れ、真の高調波でないことがあります。例えば、ブログNo.4とNo.5で再生ドライブについて説明した通り、60Hz電源で4kHzスイッチング周波数のインバータは、3880Hzと4120Hzなどの電流を生成し、これらは60Hzの整数倍ではないため真の高調波ではありません。これの正しい用語は間高調波です。これらも不要周波数であり、一部の効果は高調波と同じなので、一般的な議論では単に「高調波」と呼ばれることがあります。これは混乱を招くため、真の高調波について語っているのか、あらゆる種類の歪みについて語っているのかを明確にするのが最善です。

どのような影響があるか？

図1と2に戻ると、整流器が商用電源に接続されています。電源は50Hzの単一周波数を持つ正弦波です。整流器は高調波電流を生成し、これが電源に流れます。整流器は高調波周波数での電流源となり、それが電源に逆流し、電力システム全体に広がります。 図3はこれを示します。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生じさせます。この電圧は、共通結合点（PCC）で同じポイントに接続されている他の電力利用者が経験します。

図3：電力ネットワークにおける高調波の伝播

高調波の周波数は100Hzから約2500Hzまで（一般的に50次程度まで、一部機関では100次や200次まで見る。高調波測定規格では9kHzで停止）。最初の興味深い点は、これらが電磁スペクトルでは非常に低い周波数だということです。図4のスペクトルに示します。

図4：電磁スペクトルの簡略図と電力高調波の位置

「無線周波数」は一般的に9kHzから始まるとされ、実際には約100kHz以下では有用な電磁波生成が困難なため、無線用途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、電力システム配線を伝導によってのみ伝播することを意味します。迷走結合による干渉は引き起こさず、電力線を通じて他機器に伝導されることでのみ干渉を引き起こします。考慮しなければならない理由は、それらが累積的だからです。テレビ1台の整流器の効果は微小ですが、数百万台が同時に動作すると、同じ周波数・位相の高調波が電力システムで加算されます。全体的な効果は、正弦波電圧波形の歪みです。図5は整流器高調波による「フラットトップ」歪みの種類を示します。

図5：整流器高調波による電圧歪み

適度なレベルの高調波電流は問題ありませんが、過大になるとトラブルの原因となります。電力システムにおける過大な高調波の可能性のある影響を以下に列挙します。これらはすべてかなり稀ですが、発生すると修正が困難で高コストになります。

• 周波数感受性機器の発熱増大、特に：
  • 力率改善用コンデンサ
  • 誘導モータ
  • 変圧器
  • 発電機（小型ローカル発電機、非常用電源など）
• 変圧器、母線などの音響ノイズ
• 商用周波数をタイミングに使用する機器の誤動作（現在では稀）
• 波形歪みに反応するUPSシステムの望ましくないトリガー
• アナログ音響システムへのノイズ混入（劇場、教会など）
• 電力システム保護リレーの望ましくないトリップ、公共電源喪失につながる

高調波による深刻な問題は、特殊なケースを除き稀です。一例は、限定された発電能力を持つ独自発電機と多数のドライブや整流器を搭載した船舶です。しかし、電力会社は稼働中の数百万台の小型家電からの高調波蓄積を経験しており、公共電源で第5高調波が限度値に達している場所があります。

「ノイズ」

高調波の効果には、一般的に「電気ノイズ」と呼ばれる電子回路への擾乱（アナログドライブシステムでのノイズ・振動、デジタルデータリンクでのデータエラーなど）は含まれません。理由は：

• 高調波の周波数が低すぎて、隣接電気回路間での有意な迷走誘導結合を引き起こせない。ほとんどの電気干渉は、電磁的に結合可能な、またはアース（大地）接続の迷走インダクタンスを通じて結合する、はるかに高い周波数によるものです。

高調波は電力回路でのシリーズモード電流として伝播します。つまり、電力系統の電力導体を伝わり、アース（大地）導体では伝わりません。高周波「ノイズ」は通常コモンモードで、導体とアース（大地）で回路を完成します。図6でさらに説明します。

図6：単相電力回路でのシリーズモード（a）とコモンモード（b）

高調波データ：入力/出力、電圧/電流

ドライブ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。入力か出力か、電流か電圧かによって混乱の可能性があります。以下の表は、各箇所で関連するデータをまとめています。

（表：高調波データの関連箇所まとめ）

出力高調波データの要求は、以前の世代のインバータドライブ（準矩形波技術使用、動作周波数の非3倍数高調波を含む）の経験に由来することがあります。PWMでは高調波は無視できるレベルです。

表をまとめると、特定ドライブモデルの特性として関連する高調波データは入力電流データのみです。これはサプライヤーから要請に応じて入手可能であるべきです。

高調波ブログ第2部では、高調波の測定・評価方法、ドライブ負荷による変化、低減が必要な場合の対策を見ていきます。