高調波の概要–電力システムに対する高調波の影響

高調波とは何ですか、それをフィルタリングして排除する方法。

（Manuel Bolotinha）

ハーモニクスの概要

電力供給の品質は、公益事業会社とユーザーの両方にとって重要な問題ですが、その品質は電磁妨害の影響を受ける可能性があります。 。

これらの妨害の中で 高調波を強調表示する必要があります これはすべての電圧レベルで発生します そして、その調査、許容値の計算、および修正方法 IECで定義されています ^[1] 標準61000-2-4： 電磁両立性（EMC） ^[2] –環境–産業における互換性レベル 低周波伝導妨害用プラント 。

ハーモニクスとは何ですか？

オルタネーターはオルタネーター電圧を生成します （ V ）および currents （私 ）正弦波形 および頻度 （ f ） 50 Hz または60Hz （この周波数、第1高調波 、通常は商用周波数で指定されます または基本 ）、図1で観察できること。

図1-正弦波交流電圧

ただし、機器の特性により 、ネットワークにインストールされている電圧および/または電流 異なる周波数 、奇数の整数倍数 産業用周波数 、ネットワークで誘導される可能性があります。高調波 、 私。 e .:3次高調波 – 150 Hz または180Hz ; 5次高調波 – 250 Hz または300Hz ; 7次高調波 – 350 Hz または420Hz ;など

その場合、ハーモニクスと言えます。 継続的な（定常状態の）障害 または歪み 電気ネットワーク上にあり まったく異なる主題または問題 ラインスパイク、サージ、サグ、インパルスなどから 一時的な障害として分類されます 。

図2は、第1高調波、第3高調波、および第5高調波の例を示しています。

図2 –基本波、第3高調波、および第5高調波

ハーモニクスの存在 歪んだ波に起源を与える 電圧の （または現在 ）すべての複雑な波形を考慮に入れると、図3で観察される可能性があります。 さまざまな周波数の一連の正弦波に分解できます したがって、複雑な波形 合計です いくつかの高調波の 価値が低いまたは高い 。

フーリエ級数 ^[3] 瞬間的な価値を表します その合計の – u（t） –方程式による： 場所 ：

• t 時間です[s ]
• ω=2πf [ s ^-1 ]
• T 期間です[s]
• f ₀ 基本周波数[Hz ]
• s（t） は区間[0、T]で積分可能な周期関数です

図3 –高調波歪み

通常は3次高調波 最も有害な 、ただし特定の条件では、5次および7次高調波 見逃せません 。

高調波歪み

IEC規格61000-2-4による 高調波歪み パラメータTHDによって特徴付けられます –全高調波歪み –次の式で計算されます。

ここで Q ₁ rms値を表します 電圧の または現在 産業用周波数 およびQ _i ハーモニックウェーブ 注文の“ 私 」 （第2高調波 – i =2 ; 3次高調波 i =3 ;など）電圧または電流の。

同じIEC規格で、次のパラメータも定義されています：

• TDC （全高調波コンテンツ ）、rms値 次の式で計算されます。

ここで Q ₁ rms値を表します 電圧の または現在 産業用周波数 およびQ rms値 電圧の またはcurrent 。

• TDR （全高調波比 ）–rms値間の関係 TDC およびrms値 電圧の または現在 商用周波数で （ Q ₁ ）、これは次の式で計算されます。

通常、計算は電圧に対して行われます。 、最小三相短絡電力を考慮 （ S” _K ）ネットワークの最大値 （Ω ）短絡インピーダンス THD 計算されます（ Z _K ; R _K ; X _K ^[4] ）; 特定のソフトウェア これらの計算を行うにはが必要です。

上記のIEC規格 3つのクラスを定義します 電磁環境の場合 ^[5] ：

1. クラス1 ：このクラスは保護されたサプライに適用され、パブリックネットワークよりも互換性レベルが低くなります。これは、電源の障害に非常に敏感な機器の使用に関連しています。たとえば、実験室の電気機器、一部の自動化および保護機器、一部のコンピューターなどです。
2. クラス2 ：このクラスは通常、 PCCに適用されます ^[6] およびIPC ^[7] 産業用およびその他の非公共電源の環境で。このクラスの互換性レベルは、一般にパブリックネットワークの互換性レベルと同じです。したがって、パブリックネットワークからの供給用に設計されたコンポーネントは、このクラスの産業環境で使用できます。
3. クラス3 ：このクラスは IPCにのみ適用されます 産業環境で。いくつかの外乱現象については、クラス2よりも高い互換性レベルがあります。たとえば、このクラスは、次の条件のいずれかが満たされた場合に考慮する必要があります。負荷の大部分はコンバータを介して供給されます。溶接機があります。大型モーターは頻繁に始動します。負荷は急速に変化します。

ハーモニック 互換性 レベル ^[8] （ U _h [％] ）奇数周波数の場合 倍数 3の 表1および奇数周波数に示されています 倍数ではありません 3の 表2に示されています。

表1 –3の倍数の奇数周波数の高調波互換性のレベル

表2 –3の倍数の奇数周波数の高調波互換性のレベル

互換性レベル THD 各クラスの内容は次のとおりです。

• クラス1– 5％ 。
• クラス2– 8％ 。
• クラス3– 10％ 。

高調波の発生源と影響

高調波は、電気機器やシステムの問題の永続的な原因です。

次の種類の読み込み （非線形荷重 ^[9] ）は高調波の主な発生源です：

• パワーエレクトロニクス機器（例：整流器–つまり電気牽引システムで使用されるもの –および静的コンバーター）。
• アーシング機器（例：アーク炉、 AC またはDC、アーク溶接機 。
• 可飽和デバイス（例：電力定格が不十分な変圧器によって吸収されるオフロード電流波）

高調波発生を最小限に抑える 整流器ユニット できれば6パルス 電気牽引システム用のこれらのタイプのユニット 通常、電流高調波を生成します 5、7、17、19次 、ダイオードのアンバランスの結果 およびネットワークインピーダンスから 。

ただし、マグニチュードは低くなります 、機器およびネットワークの通常の作業条件下で 、共振のリスクを考慮に入れる必要があります それらの頻度 。

切り替え操作 コンデンサバンク および電源トランス 永続的な過負荷 重要な高調波源でもあります 。

電源トランス 電圧の場合 60kVを超える スタースター接続 （はい ）も同様にハーモニックソース 。これらの高調波を補正するために 参照される電源トランス デルタ接続された3次巻線が必要です 。

電圧波の歪みは別として 、高調波 誤った操作の起源です 制御および保護システムの、 電磁干渉による 、 表皮効果を高める ^[10] 、 機械的振動と振動を引き起こす 電気機械、すなわち電力変圧器と回転機械の力率を下げる （cosΦ ）、断熱材の早期老化を引き起こします 、誘電特性の喪失につながります 、発生源過熱と損失の増加 、つまり電源トランスとケーブル、および機器の耐用年数の短縮 。

ハーモニクス 、電圧波の歪みの原因です 、非線形荷重で循環 、モーターのように 、可変磁束にさらされた場合 、循環電流を誘導する （渦電流 ）導電性材料において、トルクを減少させる 。

不均衡なシステムの場合 、高調波 中性カレントを引き起こす可能性があります 高い 基本周波数での相電流のベクトル和よりも 、中性線の過負荷につながります 。

表皮効果 増加 導体の抵抗 したがって、ジュール効果による電圧降下と損失 。この問題は特に敏感です 架空線 電圧 150kV以上 および長さ 800km以上 。この問題を解決するための一般的な解決策は、 DCを使用することです。 架空線 、表皮効果 存在しません 。

機械的な振動と振動 回転する電気機械の場合、シャフトのミスアライメントが発生する可能性があります およびステーター、ローター、およびベアリングの破壊 。

損失が増加します 電力変圧器では、鉄損で発生します 、渦電流による およびヒステリシス ^[11] 、頻度に比例 および銅損 、表皮効果による 。

高調波補償とフィルターの種類

コンデンサバンクの場合 力率補正に使用されます 、重要な高調波成分がコンデンサバンクに流れ込みます;このような状況では、一時的にオフにする必要があります コンデンサバンク 高調波源の正確な位置を可能にするため 。

このようなインストールでは、重要です。 高調波共振のリスクがあるかどうかを確認する 特定のコンデンサバンクの高調波が原因 。これが最初のステップです 正しい解決策を定義する 高調波補償の場合 。

ハーモニクスの存在を確認したら そしてそのTHD値 制限を超えています IEC規格61000-2-4で定義 および/または公益事業会社によって設立された 必須です 高調波補償に進みます;実装するソリューションは、インストール特性によって異なります。 。

低電圧で使用される最も簡単なソリューション （V≤1kV ）インストール、銅コイルの使用です （図4を参照）その行為 高周波フィルターとして 、整流器の始動電流を制限する および相互干渉を制限する 。

図4 –高調波補償のリアクタンス

インダクタンス（ L ）各フェーズの計算式は次のとおりです。 場所：

• ΔV_L 私 ■リアクタンスの内部電圧降下[％ ]
• V _n ネットワークの相間電圧です[V ]
• f _n ネットワークの産業用周波数です[Hz ]
• I _n 現在の[A ]

ネットワークとインストール 強い電気汚染 （高調波レベル ）、ここで G _h / S _n > 60％ （ G _h 見かけの力です すべての非線形荷重の ハーモニクス制作を担当 およびS _n 見かけの力です すべての上流トランスフォーマーの 負荷が接続されているのと同じバスバーに接続されている ）高調波フィルターをインストールすることをお勧めします 、図5に示すようなもの）。

図5 –高調波フィルター

高調波補正 一元化の可能性があります 、高調波フィルター メイン着信交換機に接続されています 、または分散型またはローカル 、高調波フィルターの取り付け 機器の近く それが主な高調波源です 。両方のソリューションを図6に示します。

図6 –高調波フィルターの位置

高調波フィルターは、次の3つのカテゴリに分類されます。

パッシブフィルター

これらはLCシリーズアソシエーション回路で構成されています 、各周波数に合わせて調整 補償するように設計されている 、通常は 5次、7次、11次高調波 。主な特徴は次のとおりです。

• 除去する電流に対する高調波に制限はありません。
• 力率補正を行います。
• ネットワークが変更されると、高調波が増幅するリスクがあります。
• 外部の電磁汚染によって引き起こされる過負荷のリスクがあります。

アクティブフィルター

これらは電子およびマイクロプロセスユニットで構成されています 、高調波の制御 2次から50次の範囲内; 周波数の各範囲 現在が生成されます 、180°の位相シフトと同じ値 補償される高調波電流 。

このタイプのフィルターは、ネットワーク、負荷、および高調波範囲の変更に適しています。 、分散型またはローカルの報酬に特に適しています 。

ハイブリッドフィルター

これらはアクティブフィルターとパッシブフィルターの組み合わせ 、高調波の制御 2番目から25番目の注文の範囲内 、力率補正も実行 。

知っておきたいこと：

知っておきたいこと：

^[1] IEC ：国際電気技術委員会。

^[2] 電磁両立性 は、「電磁環境」で適切に動作する電気機器の能力として定義され、その環境に存在する可能性のある他の機器やシステムにいかなる種類の電磁妨害も導入しません。

^[3] フーリエ級数 収束三角級数 正弦関数の合計を表すために使用されます 。

^[4] R _Kの値の場合 e X _K ネットワークの 通常、概算として、 R _K / X _K =0.1 と方程式

Z _K =√（R _K ² + X _K ² 。

^[5] クラスの定義は、 IEC Standard 61000-2-4の転記です。 。

^[6] PCC ：他の負荷が接続されている、または接続される可能性のある、特定の負荷に電気的に最も近い公共電源ネットワーク上のポイント。

^[7] IPC ：特定の負荷に電気的に最も近く、他の負荷が接続されている、または接続される可能性のある、システムまたは設備内のネットワークを指します。

^[8] 互換性レベル 指定された電磁妨害レベルを定義します 放出およびイミュニティ制限の設定を調整するために、指定された環境で参照レベルとして使用されます。

^[9] ロード 非線形と言われています そのインピーダンスの場合 変化する 印加電圧 。

^[10] 表皮効果 は電磁電流線の反発を特徴とする現象であり、その結果、AC電流は導体の表面にのみ流れる傾向があります。

^[11] ヒステリシス 磁場のときの 強磁性体に適用されます 、トランスフォーマーのコアとして 、材料は永久に磁化されたままです 、磁場が存在しない場合でも。

作者について：Manuel Bolotinha

-電気工学のライセンス学位–エネルギーおよび電力システム（1974 –InstitutoSuperiorTécnico/リスボン大学）
–電気およびコンピューター工学の修士号（2017 –FaculdadedeCiênciaseTecnologia/リスボン大学）
–変電所および電力システムのシニアコンサルタント。プロのインストラクター

変電所グリッドの接地/接地システムの設計 音声認識ベースのホームオートメーションシステム