最新の電力システムで高調波が発生する理由

現代世界の電気機器は、特に IT テクノロジーの面でますます複雑になっています。この傾向のため、電力品質保証システムは次の要件を満たす必要があります。つまり、産業用ネットワークとその関連ユーザーが正常に機能できるように、変動、サージ、電圧低下、ノイズ、インパルス ノイズなどを簡単に処理できる必要があります。

非線形負荷によって引き起こされる高調波による系統電圧の再整形は、解決すべき主な問題の 1 つです。この記事では、この問題の詳細な側面を見ていきます。

問題の本質は何ですか

現在のオフィス機器、コンピュータ、オフィス、マルチメディア機器の主な割合は一般に非線形負荷であり、共通の電力ネットワークに大量に接続されると、ネットワーク電圧の形状が歪みます。

この歪んだ電圧は他の電気機器にひどく感知され、通常の動作を著しく妨害することがあります。誤動作、過熱、同期の破壊、データ伝送ネットワークでの干渉の原因となります。一般に、非正弦波交流電圧はさまざまな機器に障害を引き起こす可能性があります。 、材料を含むプロセスや人々への不便。

このような電圧歪みは、ネットワーク電圧の基本高調波の rms 値に対する高調波の rms 値の比を反映する正弦波係数と、次の値に等しい負荷波高率のペアの係数で表されます。実効負荷電流に対するピーク消費電流の比率。

なぜ高調波は危険なのでしょうか?

高調波の発現によって引き起こされる影響は、暴露期間に応じて即時的と長期的に分けられます。一般的に瞬間的なものとして挙げられるのは、電源電圧形状の歪み、配電ネットワークの電圧降下、高調波周波数共振を含む高調波の影響、データ伝送ネットワークの有害な干渉、音響範囲のノイズ、機械の振動です。長期的な問題としては、発電機や変圧器での過剰な熱損失、コンデンサや配電網（配線）の過熱などが挙げられます。

高調波と線間電圧形状

ネットワーク正弦波の半分に大きなピーク電流があると、波高率が増加します。ピーク電流が高く短いほど歪みは強くなりますが、コム係数は電源の能力、つまりそのようなピーク電流を供給できるかどうかの内部抵抗に依存します。一部の電源は、その定格電力に対して過大評価する必要があります。たとえば、発電機では特殊な巻線を使用する必要があります。

しかし、無停電電源装置 (UPS) は、この問題にはるかにうまく対処します。二重変換により、いつでも負荷電流を制御し、PWM を使用して安定化することができ、電流の櫛形係数が高いことによる問題を回避できます。 。言い換えれば、高品質の UPS にとって、波高率が高いことは問題ではありません。

高調波と電圧降下

上で述べたように、UPS は高い波高率を適切に処理し、波形歪みは 6% を超えません。ここでの接続ワイヤーは、非常に短いため、原則として問題ありません。しかし、線間電圧には高調波が豊富に含まれているため、特に単相および三相整流器によって導入される奇数の高周波高調波の場合、電流波形は正弦波から逸脱します (図を参照)。

配電ネットワークの複素インピーダンスは通常、 帰納的な性質したがって、電流高調波が大量に発生すると、長さ 100 メートルの送電線で大幅な電圧降下が発生し、これらの降下が許容値を超える可能性があり、その結果、負荷の電圧形状が歪むことになります。

例として、トランスレス入力を備えた受電装置の入力フィルタの抵抗に応じて、さまざまなネットワーク インピーダンスで単相ダイオード整流器の出力電流がどのように変化するか、またこれが電圧波形にどのような影響を与えるかに注目してください。

3次高調波の倍数の問題

3 番目、9 番目、15 番目など。 — 主電源電流の高調波は、高い振幅係数によって特徴付けられます。これらの高調波は単相負荷から発生し、三相システムに対する影響は非常に特殊です。もしも 三相システムは対称です、電流は互いに 120 度ずれており、中性線の合計電流はゼロです。つまり、線全体での電圧降下はありません。

これは理論的にはほとんどの高調波に当てはまりますが、一部の高調波は、基本高調波の電流ベクトルと同じ方向に電流ベクトルが回転するという特徴があります。その結果、ニュートラルでは3次の倍数である奇数次の高調波が重なり合います。そして、これらの高調波が大半を占めるため、中性点電流の合計が相電流を超える可能性があります。たとえば、相電流が 20 アンペアの場合、30 アンペアで周波数 150 Hz の中性電流が生じます。

高調波の影響を考慮せずに設計されたケーブルは、断面積が大きくなるはずだと考えるため、過熱する可能性があります。三相回路では、3 次高調波の倍数が相互に 360 度オフセットされます。

共振、干渉、騒音、振動、発熱

流通ネットワークには、 共振の危険性 より高い電流または電圧の高調波では、このような場合、高調波成分が基本周波数よりも高くなることが判明し、システムのコンポーネントや機器に悪影響を及ぼします。

高調波を含む電流が流れる電力線の近くにあるデータ伝送網は干渉を受けやすく、その中の情報信号は劣化し、また、線路から網までの距離が短く、接続距離が長くなるほど通信量は増加します。高調波周波数 - 歪み情報信号が大きくなります。

変圧器やチョークは高調波により騒音を出し始め、電気モーターは磁束の脈動を経験し、その結果シャフトにトルク振動が発生します。電気機械や変圧器が過熱し、熱損失が発生します。コンデンサでは、グリッドよりも高い周波数になると誘電損失角が増加し、過熱し始め、絶縁破壊が発生する可能性があります。温度の上昇によるラインの損失について話す必要はありません...