電気ネットワークにおける高調波の発生源
現代の電気、特に産業用ネットワークには非線形要素が常に存在するため、その結果、電流曲線と電圧曲線が歪み、ネットワーク内に高調波が発生します。
まず第一に、非正弦波性は静的コンバータの存在、次に同期発電機、溶接機、蛍光灯、アーク炉、変圧器、モーター、その他の非線形負荷の存在によるものです。
数学的には、電流曲線と電圧曲線の非正弦波は、電源周波数の主高調波とその倍数である高調波の合計として表すことができます。高調波解析の結果は三角フーリエ級数となり、結果として得られる高調波の周波数と位相の値は、次の式を使用して簡単に計算できます。
実際、三相ネットワークにおける非正弦波の電圧と電流の組み合わせは、非対称または対称になる可能性があります。3 つの高調波 (k = 3n) の倍数に対する非正弦波電圧の対称システムにより、ゼロ相電圧システムが形成されます。
さらに、k = 3n + 1 では、三相ネットワーク内の高調波により、対称的な逆相電圧システムが生成されます。したがって、非正弦波電圧の対称システムのすべての k 高調波は、正相、逆相、またはゼロ系列の相電圧の対称システムになります。
しかし、実際には、位相非正弦波電圧のシステムは非対称であることがわかります。それで、 三相変圧器の磁心 それ自体は、中間相と最終相の磁路の長さが 1.9 倍異なるため、非線形で非対称です。その結果、中相の励磁電流の実効値は、終相の励磁電流の値に比べて1.3～1.55倍小さくなります。
非対称高調波は、各 k 高調波が相電圧の非対称システムを形成するときに対称成分に分解され、通常、ゼロ、順方向、逆方向の 3 つのシーケンスの成分が含まれます。
絶縁された中性点を備えた三相ネットワークは、地絡がない限り、各相に零相成分が存在しないという特徴があります。その結果、相電流には 3 の倍数の高調波は存在しませんが、逆相および正相成分を含む他の高調波が存在します。
一般に、電力整流器の DC 側には、DC 機械巻線と平滑リアクトルである大きなインダクタンスがあります。これらのインダクタンスは交流側の等価インダクタンスよりも何倍も大きいため、交流ネットワークに対するこのような整流器は高調波電流の発生源として動作します。高調波周波数でネットワークに送られる電流の値は、供給ネットワークのパラメータに依存しません。
三相電気ネットワークの場合、コンバータとして 6 つのバルブに三相全波整流器を使用することが特徴であり、そこから 6 パルスまたは 6 相と呼ばれます。この場合の各相の電流曲線は、次の式で表すことができます (1 つの相 A の電流の場合)。
相電流には 3 の倍数ではない奇数高調波のみが含まれており、これらの高調波の符号は 6k + 1 次の正の高調波と 6k-1 次の負の高調波というように交互に切り替わっていることがわかります。
12 相整流器が使用されている場合、1 対の 6 相整流器が 1 対の三相変圧器に接続されている場合 (二次電圧は pi / 6 だけ位相がシフトします)、12k + 1 および 12k- の高調波が発生します。それぞれ1次が登場します。
整流器が使用される前は、電気ネットワークにおける高調波の主な発生源は変圧器とさまざまな電気機械だけでした。しかし、今日でも変圧器は電気ネットワークの最も一般的な要素です。
トランスが高調波を生成する理由は、磁気回路の磁化曲線が非線形であることと、磁化成分が常に存在するためです。 ヒステリシスループ… 非線形の磁化曲線とヒステリシス ループにより、元の正弦波の無負荷磁化電流に歪みが生じ、その結果、変圧器がグリッドから引き出す電流に高調波が発生します。
110 kV クラスの変圧器の無負荷電流は 1% 未満、6 ～ 10 kV クラスの変圧器の無負荷電流は 2 ～ 3% 未満です。これらは小さな電流であり、磁気回路におけるアクティブ損失は無視できます。重要なのは磁化曲線であり、ヒステリシス ループではありません。
磁化曲線は対称であり、フーリエ級数展開には偶数次の高調波はありません。磁化電流の歪みは、3 の倍数を含む奇数高調波によって引き起こされます。 3 番目の高調波が特に顕著ですが、5 番目と 7 番目の高調波も最も重要です。
EMF高調波と電流高調波もモーターの特徴であり、 同期と非同期の両方… これらの高調波は、変圧器によって生成される電流高調波と同じ現象、つまり固定子と回転子を構成する材料の磁化曲線の非直線性によって引き起こされます。
電気モーターの電流高調波の周波数スペクトルには、変圧器の周波数スペクトルと同様、奇数高調波が含まれており、その中には明らかに 3 の倍数があります。ここで最も重要なのは、第 3、第 5、および第 7 高調波です。
変圧器の場合と同様に、大まかに計算すると、3 次、5 次、7 次高調波の電流の割合は、3 次高調波が 40%、5 次高調波が 30%、7 次高調波が 20% となります。アイドル電流）。