AC/ACコンバータにおける高調波の発生源と影響

高調波は、基本周波数の整数倍の周波数を持つ波形の正弦波要素と呼ばれています。これらは、AC/ACコンバータの電流波形を突然切り替える、ダイオード、サイリスタ、トランジスタなどのパワーエレクトロニクス部品の非リニア特性によって生成されます。高調波の原因と結果を理解することは、高調波の存在が電源に多くの悪影響を及ぼす可能性があるため、非常に重要です。

AC/ACコンバータにおける高調波の発生源

スイッチングデバイス : AC/ACコンバータに使用されるサイリスタ、IGBT、MOSFETなどのパワーエレクトロニクス部品のスイッチをオン / オフすると、高調波が発生します。急速なスイッチングは電流波形の急速な変動を引き起こします。これはフーリエ解析を使用して高調波成分を特定することができます。

非リニア負荷 : 整流器、インバータ、可変周波数ドライブなどの非リニア負荷の非リニア電流電圧特性により、電力システムに高調波を生成することもできます。

磁性部品の飽和 : 高電流の状況では、トランスやインダクタなどの磁気部品が飽和することがあります。飽和による磁束波形の歪みは、電圧波形と電流波形に高調波を導入することにつながります。

AC/ACコンバータにおける高調波の影響

電力密度の増加 : 高調波は、抵抗損失と反応損失が高くなることにより、トランス、ケーブル、モータなどの電力システム部品の電力損失を増加させます。これらの追加損失は効率を低下させ、オーバーヒートや部品の早期故障を引き起こす可能性があります。

波形の歪み : 高調波が存在すると電圧波形と電流波形が歪み、電力品質が低下します。これらの歪み波形は、繊細な電子機器の誤動作を引き起こし、他の接続機器の機能にも悪影響を及ぼします。

共振 : 高調波によってもたらされる電力システムの共振は、特定の周波数で過度の電圧と電流をもたらします。これは、機器の損傷、電力損失の増加、および電力品質の低下につながります。

力率削減 : 高調波は電力システムの力率を低下させるため、無効電力の需要が高まり、システムの電力伝送能力が低下します。これにより、エネルギーコストが増加し、より多くの力率補正デバイスが必要になります。

高調波軽減テクニック

高調波による電力損失の増大、波形歪み、共振、力率低下などの電力系統への悪影響を軽減するためには、高調波緩和策が重要です。これらの方法は、パッシブ型とアクティブ型に大別できます。このセクションでは、さまざまな調和緩和戦略と、それらが電力システムでどのように使用されるかについて説明します。

パッシブ高調波軽減テクニック

ラインリアクタとチョーク : ラインリアクタやチョークなどの誘導性部品を電源と直列に配置することで、高調波電流の流れを低減することができます。これは、高調波周波数で電力システムのインピーダンスを上げ、高調波電流の振幅を下げることによって行われます。

位相シフト巻線付きトランス: 主巻線と二次巻線の間に位相シフトを提供することにより、位相シフトトランスを利用して特定の高調波成分をキャンセルすることができます。特定の高調波順番はこの位相シフトによってキャンセルされ、電力系統への影響を軽減します。

離調したフィルタと同調したパッシブフィルタ : 離調したフィルタはコンデンサとリアクタの直列接続セットで構成されていますが、同調したパッシブフィルタは特定の高調波周波数で共振することを目的としています。高調波電流に低インピーダンスの経路を提供することで、これらのフィルタは繊細な機器から高調波をそらすことができ、電源への影響を最小限に抑えることができます。

アクティブ高調波軽減テクニック

アクティブフィルタ : アクティブフィルタとして知られるパワーエレクトロニクス機器は、負荷によって生成される高調波電流と逆位層のものを生成しますが、同じ大きさを持っています。高調波電流は、これらの相反する電流によって効果的に打ち消され、電力系統への影響を軽減します。シャントアクティブフィルタと直列アクティブフィルタは、負荷と並列および直列にリンクする2つの異なるタイプのフィルタです。

動的電圧復元器 (DVR) : 電圧高調波、低下、および増加を補正するために、DVR (パワーエレクトロニクスデバイス) は電源システムと直列に電圧を注入します。DVRは、注入された電圧を動的に変化させて負荷端子で適切な電圧波形を維持することで、電圧高調波の影響を軽減することができます。

統合電力品質調整器 (UPQC) : シャントアクティブフィルタとDVR機能は、洗練されたパワーエレクトロニクス機器の一種であるUPQCに統合されています。電圧と電流の高調波だけでなく、電圧のたわみ、膨潤、アンバランスなどの他の電力品質の問題も同時に補償することができます。

パッシブフィルタリングおよびアクティブフィルタリング方式

高調波フィルタリング技術は、電力品質を向上させ、高調波の電力システムへの有害な影響を低減するために不可欠です。パッシブフィルタリングとアクティブィルタリングは、高調波フィルタリングに分類される2つの手法です。このセクションでは、パッシブフィルタリングとアクティブフィルタリングの両方の技術の特性、利点、および欠点について説明します。

パッシブフィルタリング方式

パッシブフィルタは、コンデンサ、インダクタ、抵抗などのパッシブ電気部品で構成されており、特定の高調波周波数に焦点を当てるために特定のパターンで積み重ねられています。パッシブフィルタには、主に次の2つのカテゴリがあります。

離調フィルタ : コンデンサとリアクタを直列に接続して離調フィルタを作成します。基本周波数よりも低い共振周波数を持つことにより、電力系統との並列共振を回避するように作られています。離調フィルタは、高調波電流に低インピーダンスパスを提供し、基本周波数電流に高インピーダンスパスを提供することで、高調波歪みを低減します。

同調フィルタ : 同調フィルタは特定の高調波電流で共振するように作られるため、ターゲット高調波電流は低インピーダンスの経路を持ちます。これにより、高調波電流が高感度機器から効率的に流され、電力システムへの悪影響が軽減されます。通常、同調フィルタは離調フィルタよりも優れた性能を発揮しますが、ピーク性能を達成するにはチューニングが必要です。

パッシブフィルタの利点 :

• 安価でシンプルな設計
• 能動部品がないことによる高信頼性
• 複雑な制御アルゴリズムは不要

パッシブフィルタの欠点

• インダクタとコンデンサを使用しているため大きくて重い
• 固定の高調波補正を持つため、必要な高調波周波数に対してのみ機能する
• 適切に構築されていない場合、共振の問題につながる可能性がある

アクティブフィルタリング方式

アクティブフィルタと呼ばれるパワーエレクトロニクスは、位相が逆ですが、負荷によって生成される高調波電流と大きさが等しい高調波電流を生成します。これは、対策として機能し、効果的にそれらを打ち消すことによって、電力系統への高調波電流の影響を緩和します。アクティブフィルタには主に次の2つのカテゴリがあります。

シャントアクティブフィルタ : 図5では、負荷とシャントアクティブフィルタが並列に接続されています。電力系統から高調波歪みを除去するために、負荷によって生成される高調波電流を測定し、電力系統に注入される対抗電流を生成します。

図5 : シャントアクティブパワーフィルタ

直列アクティブフィルタ : 図6では、負荷はアクティブフィルタと直列に接続されています。負荷端子の電圧高調波を測定し、電源に注入される反作用電圧を生成することで、電圧歪みを効率的に排除します。

図6 : 直列アクティブパワーフィルタ

アクティブフィルタの利点 :

• 柔軟かつ適応可能な高調波補正
• さまざまな高調波周波数から成る容量
• 電圧を制御し力率を向上させることが可能

アクティブフィルタの欠点 :

• パワーエレクトロニクス部品と制御システムの使用によるコストの増加
• 能動品と制御アルゴリズムに依存するため、パッシブフィルタよりも信頼性が低い

力率補正

電力系統では、力率を主要なパラメータとして使用して、電力が生産的な作業にどの程度変換されるかを決定します。見かけの電力 (ボルトアンペア、VAで測定) と実際の電力 (ワット、Wで測定) の間の角度は、見かけの電力角度として知られています。1の力率は、-1から1の範囲の値で、完璧な変換効率を示します。

力率補正の重要性

力率補正 (PFC) は、次のようないくつかの理由で重要です。

システム効率を向上する : 力率が低い場合、電力システムは電力を有用な作業に効果的に変換していません。その結果、エネルギー価格が上昇し、電力網の使用量が増加します。

電圧降下と損失を低減する : 力率が低いと、システムに流れる電流が増加し、電力線やトランスの電圧降下や損失が増加します。

システム容量を増やすため : 電力系統の容量を効果的に利用することができ、高価な改善を必要とせずに、より高い負荷を管理する能力を向上させることができます。

公益事業規制に準拠する : 力率が低い顧客は、システム損失とグリッド需要の増加に寄与するため、公益事業からペナルティを受けることがよくあります。

力率補正技術

力率を修正するには、パッシブ、アクティブ、ハイブリッドテクニックなど、さまざまな方法があります。

パッシブ力率補正 : パッシブPFCでは、並列または負荷と直列に結合されたコンデンサまたはインダクタが使用されます。これらのリアクティブ部品は、負荷の反応性電力のバランスをとるため、力率が上昇します。パッシブPFCは、単純で信頼性が高く、経済的ですが、複雑な負荷や可変負荷のシステムには十分ではない場合があります。

アクティブ力率補正 : 負荷の無効電力需要を相殺する無効電力を生成するために、アクティブPFCはインバータやコンバータなどのパワーエレクトロニクス部品を使用します。パッシブPFCと比較して、この技術はより正確で柔軟な力率補正を提供します。さらに、アクティブPFCは電圧降下を低減し、高調波歪みを調整することができます。制御システムとパワーエレクトロニクス部品を使用するため、それはより複雑でコストがかかります。

ハイブリッド力率補正 : ハイブリッドPFCは、それぞれの方法の長所を活かすために、パッシブ方式とアクティブ方式を組み合わせています。アクティブPFCの適応性と性能の向上と受動PFCの信頼性と費用対効果を組み合わせることで、この技術は両方の目標を達成することができます。力率補正と高調波軽減は、負荷が変動するシステムのハイブリッドPFCの利点です。