高調波が電気システムに与える影響

電気システムに対するハーモニクスの影響を理解することは、物事をスムーズかつ安全に走らせるのに非常に役立ちます。高調波は、熱波の変化であり、熱が多すぎる、機器の分解、効率の低下などのさまざまな問題を引き起こす可能性があります。この記事では、さまざまな種類の高調波、それらの原因となるもの、および業界や企業で使用される電力システムで作成できる問題について説明します。また、特別なフィルター、ハーモニクスを処理するように設計された変圧器、電力品質の定期的なチェックなど、これらの問題を修正する方法を検討します。私たちの目標は、電気システムで高調波を効果的に管理するための明確で簡単なガイドを提供することです。

カタログ

図1：ハーモニクス

電力工学における高調波の理解

高調波は、基本周波数の倍数である高周波数の電流または電圧です。それらは、歪んだ波形、余分な加熱、電気機器の効率の低下などの問題を引き起こす可能性があります。基本周波数の奇妙な倍数で発生する奇妙な高調波は、歪みと加熱を増加させます。基本的な周波数の倍数で発生する高調波でさえ、変圧器が過熱する可能性があります。特定のタイプの奇妙な高調波であるTriplen Harmonicsは、ニュートラルワイヤを過負荷にし、トランスを過熱させる可能性があります。

高調波は、正、負、ゼロのシーケンスの3つのタイプに分けることができます。正のシーケンスハーモニクスは、システムに余分な熱を追加します。負のシーケンスハーモニクスは、モーターのパワーを低下させ、熱を増加させます。ゼロシーケンスハーモニクスは、ニュートラルワイヤに加熱を引き起こします。総高調波歪み（THD）は、高調波の効果の尺度であり、より高い値がより多くの歪みを示しています。

産業用設定では、可変周波数駆動のようなデバイスが多くの歪みを生み出します。これらの問題を軽減するために、高レベルの高調波を処理するように設計されたフィルターと特別な変圧器を使用できます。電力の質を定期的にチェックすることで、高調波の問題を見つけて修正し、IEEE 519の基準へのコンプライアンスを保証します。高度なツールは、これらの問題を効果的に管理するために、第511倍の高調波まで測定できます。

高調波の種類

奇妙なハーモニクス

図2：奇妙なハーモニクス

奇妙な高調波は、3番目、5番目、7番目の高調波など、主要な周波数の奇妙な倍数である高調波です。これらの高調波は、電気機器を傷つけ、動作を悪化させる可能性があるため、電力システムに大きな問題を引き起こす可能性があります。奇数の高調波が存在すると、トランスの抵抗損失と渦電流損失が増加します。I²R損失とも呼ばれる抵抗損失は、高調波電流が導体をより強くするために起こります。この余分な加熱は、導体の抵抗のために熱が失われる電力によるものです。渦電流損失は、変圧器のコア内で流れが流れ、熱を発生させると発生します。高調波の存在は、トランスコアがより高い周波数磁場に向かっているため、これらの効果を悪化させます。

高レベルの奇妙な高調波は、変圧器がどれだけうまく機能するかに大きな影響を与える可能性があります。過熱や故障の可能性のリスクを減らすには、高レベルの高調波がある場合にトランスを導出する必要があります。変圧器を排出することは、高調波によって引き起こされる加熱を減らすための定格能力よりも低い容量でそれを使用することを意味します。これにより、トランスが安全に動作し続け、長持ちします。deratingは、これらの高調波によって引き起こされる追加の損失を計算することを伴います。これらの損失がわかったら、変圧器の負荷容量を調整して、過熱しないようにし、確実に機能するようにします。

簡単に言えば、奇妙な高調波のために変圧器を排出するには、負荷の高調波含有量を慎重に見ることが含まれます。エンジニアは、電力品質メーターを使用して、高調波含有量を測定し、それが変圧器にどのように影響するかを確認します。これらの測定からのデータを使用して、トランスの負荷を減らすためにどれだけの量を減らして安全に動作させるかを把握します。

高調波でさえ

図3：高調波偶数

高調波でさえ、メイン周波数が60 Hzの場合、2番目（120 Hz）、4（240 Hz）、6（360 Hz）の高調波など、主要な周波数の倍数である周波数です。電力システムでは、ほとんどの非線形負荷が主に奇妙な高調波を生成するため、高調波でさえも小さいです。ただし、高調波の存在は、電気システム内で特定の問題を示すことができます。

高調波でさえ、システムのDCオフセットを示すことがよくあります。DCオフセットは、交互の電流（AC）波形と混合された直接電流（DC）コンポーネントがある場合に発生します。これは、整流器が壊れたために発生する半波修正によって引き起こされる可能性があります。整流器は、ACをDCに変更するデバイスであり、破損すると不完全な波形を生成し、DCオフセットにつながる可能性があります。偶数高調波によって導入されたDCオフセットは、電気システムにいくつかの問題を引き起こす可能性があります。1つの大きな効果は、変圧器の飽和です。トランスがDCオフセットを経験すると、そのコアはAC波形の交互の半サイクルの間に磁気的に飽和になります。この飽和により、電流が過度に描かれ、変圧器が過熱し、主要な巻きを燃やす可能性があります。また、DCオフセットは、変圧器に機械的な振動とノイズを引き起こす可能性があります。コアの磁気飽和は、強い振動をもたらし、これはトランス構造に大声で物理的に損傷を与える可能性があります。定格電流の1％以上、小さなDCオフセットでさえ、これらの深刻な問題を引き起こす可能性があります。

高調波でさえ診断ツールとしても使用できます。電気システムでの存在は、整流器またはシステムにDCコンポーネントを導入している可能性のある他のコンポーネントに関連する問題を特定するのに役立ちます。高調波を監視および分析することにより、エンジニアは問題を早期に検出および対処し、潜在的な障害を防ぎ、配電システムの信頼できる動作を確保することができます。

トリプレンハーモニクス

図4：Triplen Harmonics

Triplen Harmonicsは、3番目の高調波の特別なタイプの奇妙な倍数です。これらは、3、9、15日などで発生します。それらは単相デバイスによって独自に生成され、電気システムで重大な問題を引き起こす可能性があります。

Triplen Harmonicsによって引き起こされる大きな問題の1つは、ニュートラルワイヤの過負荷です。バランスの取れた三相システムでは、ニュートラルワイヤの電流は互いにキャンセルする必要があります。ただし、単相デバイスからのTriplen Harmonicsは、ニュートラルワイヤではキャンセルされません。代わりに、彼らは一緒に加わり、過度の電流を引き起こします。これにより、ニュートラルワイヤの過熱や潜在的な損傷につながる可能性があります。

Triplen Harmonicsは、電話回線を妨害することもできます。これらの高調波の高周波部分は、電源ケーブルと平行に動作する通信ラインにノイズを作成できます。このノイズは、電話信号の品質を低下させ、通信システムを破壊する可能性があります。

Triplen Harmonicsのもう1つの主要な問題は、トランスの過熱です。変圧器は、特定の電流レベルと電圧レベルを処理するように構築されています。Triplen Harmonicsは、変圧器巻線のRMS（根平均四角）電流を増加させ、余分な加熱を引き起こします。トランスがこの余分な熱を処理するように設計されていない場合、断熱材の故障と最終的な故障につながる可能性があります。

Triplen Harmonicsの効果を減らすために、K定格変圧器と呼ばれる特別な変圧器を使用できます。これらの変圧器は、過熱することなく、高調波電流を処理するように設計されています。それらはより良い冷却システムを備えており、高調波によって引き起こされる余分な熱に耐えることができる材料で作られています。

高調波シーケンス

高調波シーケンスは、電気波のさまざまな周波数がメインウェーブとどのように相互作用するかを説明しています。これにより、電力システムへの影響を理解するのに役立ちます。高調波シーケンスには、正、負、およびゼロの3つの主要なタイプがあります。

正のシーケンスハーモニクス

正のシーケンス高調波には、1番目、4番目、7番目の高調波などの周波数が含まれます。これらの高調波は、メインウェーブと同じ方向に移動します。システムの電流を増加させ、コンポーネントに余分な熱を生成します。この追加熱は、断熱性を損傷し、システムの効率を低下させ、予想よりも早くコンポーネントを分解する可能性があります。モーターでは、これらの高調波が磁場を破壊し、モーターの効率を低下させ、寿命を短くします。これらの問題を処理するために、フィルターまたは他のデバイスを使用して、正のシーケンス高調波を監視および削減することが役立ちます。

負のシーケンスハーモニクス

負のシーケンスハーモニクスには、2番目、5番目、8番目の高調波などの周波数が含まれます。これらの高調波は、メインウェーブとは反対方向に移動します。それらはモーターのパワーを低下させ、余分な熱を生み出し、断熱性を損傷し、機械的振動を引き起こし、モーターやその他の成分の寿命を短くします。トランスは、これらの高調波により、損失の増加と過熱を経験する可能性があります。適切なフィルターの監視とインストールは、負のシーケンスハーモニクスとその悪影響を管理するのに役立ちます。

ゼロシーケンスハーモニクス

ゼロシーケンスハーモニクスには、3番目、6番目、9番目の高調波などの周波数が含まれます。これらの高調波は回転する磁場を作成するのではなく、代わりに中性ワイヤに蓄積し、それを過熱して損傷します。これは、非線形負荷を備えたシステムで特に問題があります。特別な変圧器と高調波フィルターを使用すると、余分な熱を管理し、システムの高調波含有量を減らし、中性ワイヤの過熱と損傷を防ぎます。

電気高調波の原因

産業環境では、特定の種類の電気機器がしばしば高調波の歪みを引き起こします。この問題は、可変周波数駆動（VFD）やインバーターなどのデバイスで一般的です。これらのデバイスは、交互の電流（AC）を変更して電流（DC）を誘導し、さまざまなアプリケーションでモーター速度を正確に制御するために可変周波数AC出力を作成します。

この変換中、これらのデバイスは、滑らかで波のような通常の負荷ではなく、非線形の不均一な方法で電流を引き出します。この不均一な電流抽選は、高調波成分を電気システムに追加し、電圧の歪みを引き起こします。この不均一な電流の引き分けの主な理由は、整流器やスイッチング回路などの内部電子部品であり、ACサイクル中の特定の時間でのみ電流を描画します。たとえば、産業モーターを制御するVFDは、最初に着信ACをDCに変更し、次にインバーターを使用して可変周波数AC出力を作成してモーター速度を調整します。修正段階では、継続的にではなく、バーストで電流を描く部品を切り替えることが含まれます。この電流のバーストは波形を歪め、高調波を作成します。

これらの高調波は、産業電力システムにいくつかの問題を引き起こす可能性があります。トランスやその他の電気部品の加熱を増やし、効率と寿命を減らすことができます。また、高調波の歪みは、敏感な電子機器を誤動作し、エネルギー損失を増加させ、通信システムを妨害する可能性があります。

これらの効果を減らすために、機器メーカーは製品を設計して、電磁互換性（EMC）標準を満たすように設計します。これらの標準は、デバイスが電源システムに導入できる高調波歪みの量を制限します。EMC標準は、個々のデバイスが電力システム全体に影響を与える可能性のある過度の歪みを引き起こさないことを保証します。ただし、EMCに準拠した機器を使用しても、同時に実行されている多くのデバイスの複合効果は、依然として重要な高調波の歪みを引き起こす可能性があります。これにより、産業環境で高調波を積極的に監視および管理することが不可欠になります。

より高い高調波レベルで発生しやすい問題

モーターと発電機の問題

ハーモニクスは、モーターや発電機に大きな問題を引き起こす可能性があります。高調波電流によって作成された余分な熱は、断熱材を分解し、機械部品にストレスをかける可能性があります。これにより、これらのマシンがより早く失敗し、寿命が短くなり、より多くの修理が必要になります。高調波振動は、機械の摩耗を引き起こし、問題を悪化させる可能性があります。

効率が低い

ハーモニクスは、ワイヤーと変圧器の抵抗損失（I²R損失）を悪化させます。これらの損失は余分な熱を生成し、電力システムの効率が低下します。余分な熱により、断熱材の老化を加速させると、より頻繁な障害とより高いエネルギー使用につながります。

計画外のサーキットブレーカートリップと吹き飛ばされたヒューズ

高調波レベルが高いと、サーキットブレーカーがトリップを引き起こし、正当な理由もなくヒューズが吹き飛ばされます。これは、高調波がこれらの安全装置にあまりにも多くの熱と磁気干渉を引き起こし、それらを誤って動作させる可能性があるために起こります。この不要なつま先は、操作を中断し、計画外のダウンタイムを引き起こし、より多くのメンテナンスが必要です。

電子機器の問題

電子デバイスは、高調波の歪みに非常に敏感です。ハーモニクスは、コンピューター、通信機器、その他の敏感な電子機器などのデバイスに問題を引き起こす可能性があります。高調波周波数からの干渉は、データを台無しにし、通信エラーを引き起こし、パフォーマンスを低下させる可能性があり、追加のフィルタリングと保護が必要です。

予期しない共鳴

高調波周波数は、電力システムの自然周波数と混合し、共鳴を引き起こす可能性があります。これらの共鳴は、高調波と電圧を強くすることができ、過電圧、過熱、および機器の損傷の可能性をもたらします。共鳴条件を見つけて修正すると、電力システムの深刻な失敗を防ぐことができます。

ハーモニクスを緩和するソリューション

フィルターのインストール

フィルターは、配電システムの高調波を減らすための実用的で経済的なソリューションです。高調波フィルターは、特定の高調波周波数をブロックまたは削減するように設計されており、ベース周波数のみが通過できるようにします。このプロセスは、電気波形のクリーニングと高調波の悪影響を軽減するのに役立ちます。

フィルターを効果的に実装するには、高調波調査を実施することが不可欠です。これらの調査では、電力品質アナライザーを使用して、システムに存在する高調波のレベルとタイプを測定することが含まれます。特定の高調波周波数とそのソースを識別することにより、エンジニアは、システムの特定のニーズに対応するように調整されたフィルターを設計およびインストールできます。パッシブ、アクティブ、ハイブリッドフィルターなど、さまざまな種類のフィルターがあり、それぞれに特定のアプリケーションと利点があります。パッシブフィルターは、インダクタ、コンデンサ、抵抗器で構成されています。それらは、特定の高調波周波数を除外するように調整されています。パッシブフィルターは費用対効果が高く、実装が簡単ですが、動的システムではかさばって柔軟性が低下する可能性があります。アクティブフィルターは、パワーエレクトロニクスを使用して、ハーモニックの歪みを動的に対抗します。それらはより汎用性が高く、リアルタイムでハーモニックプロファイルの変化に適応できます。アクティブフィルターはより高価ですが、さまざまな負荷条件で優れた性能を提供します。ハイブリッドフィルターは、パッシブとアクティブなフィルターコンポーネントを組み合わせて、パフォーマンスとコストを最適化します。彼らはバランスの取れたアプローチを提供し、中程度の投資を伴う効果的な高調波緩和を提供します。

高Kファクタートランスを使用します

図5：高Kファクタートランスとその電流波形

高調波トランスは、高調波電流によって引き起こされる余分な熱を処理するために作られています。「K-Factor」は、変圧器が熱くなりすぎずにこれらの電流にどれだけうまく対処できるかを示す評価です。これらの変圧器は、高調波からの余分な熱を管理するためのより良い断熱システムと冷却システムを備えています。彼らは余分な熱を取り除き、損傷を防ぎ、変圧器の寿命を長くすることができます。高調波レベルを処理することにより、これらの変圧器は過熱と故障のリスクを低下させ、配電システムをより信頼性を高めます。

高k因子変圧器を使用するには、慎重な計画が必要です。それらはより多くの費用がかかり、通常の変圧器よりもインストールがより困難です。このプロセスは、特定の使用に必要なKファクター定格を把握するための詳細なチェックから始まります。このチェックには、負荷の高調波含有量を調べ、変圧器にどのように影響するかを理解することが含まれます。エンジニアはツールを使用して高調波レベルを測定し、これらの高調波によって引き起こされる余分な熱を計算します。

適切なKファクター評価が決定されると、次のステップは、長期的な利益のバランスを初期コストとバランスさせることです。Kファクター変圧器の高さは、メンテナンスのニーズを減らし、信頼性を向上させます。ただし、これらの変圧器を設置することは複雑であるため、破壊を最小限に抑えるために慎重に計画する必要があります。これには、変圧器の交換またはインストールのためのダウンタイムのスケジューリング、および操作へのすべての影響を検討することが含まれます。

定期的な電力品質調査

電気システムを健康に保ち、うまく稼働させるには、定期的な電力品質チェックが必要です。これらのチェックでは、電気的特性を体系的に測定して、潜在的な問題を早期に見つけて修正することが含まれます。電力品質を絶えず監視することにより、電気機器がうまく機能し、長持ちし、より信頼性が高いことを保証します。電力が入る場所や配布パネルなど、システムのキーポイントで測定を行う必要があります。定期的なデータ収集は、電気ノイズや電圧の変化のレベルの増加など、発生する問題を示す可能性のあるパターンを見つけるのに役立ちます。電圧、電流、電気ノイズ、および突然の変化を測定する電力品質メーターが、これらのチェックで使用される主なツールです。高度なメーターは時間の経過とともにデータを記録し、電力品質のトレンドを完全に把握します。このデータを見ると、通常の条件との違いが見つかり、タイムリーな修正が可能になり、機器が故障するリスクが軽減されます。

IEEE 519標準のコンプライアンス

IEEE 519標準は、電気システムの電圧と電流歪みの許容レベルのルールを設定します。これらのルールは、機器の損傷を防ぎ、システムの信頼性を確保するのに役立ちます。

以下の表は、異なる電圧レベルの電圧および電流の総高調波歪み（THD）のIEEE 519-2014標準を示しています。

図6：異なる電圧レベルでの電圧と電流の総高調波歪み（THD）制限を示す表

電力品質アナライザーは、ハーモニクスを511thの高調波まで測定するのに役立つツールです。これらのアナライザーは、電力品質の正確な監視と管理を可能にする詳細なデータを提供します。特定の高調波周波数とそのサイズを特定し、ターゲットソリューションを可能にします。

電力品質の定期的な監視により、高調波レベルは許容できる制限内にとどまり、潜在的な問題の早期を検出するのに役立ちます。高調波の管理には、高調波フィルターの取り付けやアップグレード変圧器など、歪みの原因を見つけて固定することが含まれます。

結論

電気システムの高調波は、過熱、機器の故障、非効率性など、多くの問題を引き起こす可能性があります。さまざまな種類のハーモニクス（ODD、偶数、およびトリプレン）を理解することと、それらが電気部品にどのように影響するかを理解することにより、エンジニアはこれらの問題をよりよく予測および修正することができます。ハーモニックフィルター、余分な熱を処理する特別な変圧器、電力品質の定期的なチェックなどのソリューションを使用すると、システムを信頼性と効率的に保つことができます。IEEE 519規格に従うことで、高調波レベルが安全な制限内にとどまり、機器と操作の両方を保護します。ハーモニクスをうまく管理することで、電気システムが長持ちするだけでなく、パフォーマンスを向上させ、メンテナンスコストを削減し、最新の電気工学の重要な部分になります。

よくある質問[FAQ]

1.ハーモニクスの危険性は何ですか？

ハーモニクスの危険性には、電気機器の過熱、早期断熱材の故障、損失の増加、敏感な電子機器の誤動作、回路ブレーカーの迷惑なつまずき、および成分に深刻な損傷を引き起こす可能性のある共鳴条件が含まれます。

2.配電システムの電力品質と損失に対するハーモニクスの影響は何ですか？

ハーモニクスは、電圧と電流波形を歪曲することにより電力品質を低下させ、変圧器と導体の損失の増加、効率の低下、過熱、敏感な機器の干渉につながり、運用上の障害とメンテナンスコストの増加をもたらす可能性があります。

3.電気システムの高調波の主な原因は何ですか？

電気システムにおける高調波の主な原因は、可変周波数駆動、インバーター、整流器、および非シヌソイド方式で電流を描く他の電子デバイスなどの非線形負荷の存在であり、ハーモニック電流をシステムに導入することです。

4.分布システムの力率に対する高調波の効果は何ですか？

ハーモニクスは、見かけの出力を増加させることにより、分布システムの力係数に悪影響を及ぼし、同じ量の実際の電力に対してより多くの電流を引きます。これにより、システムコンポーネントの損失の増加と容量の減少により、効率が低下し、運用コストが高くなります。

5.電力配電システムのハーモニクスは何ですか？

配電システムのハーモニクスは、基本周波数の整数倍である周波数（米国では60 Hz）である周波数の電流または電圧です。それらは非線形負荷に起因し、波形の歪みを引き起こし、システム内のさまざまな運用および効率の問題につながります。