高調波歪みの原因

高調波歪みとは、電力システム内に不要な周波数成分が存在することです。これらの不要な成分は基本周波数 (通常は50Hzまたは60Hz) の整数倍であり、電力システムのパフォーマンスと信頼性に大きな影響を与える可能性があります。電力システムにおける高調波歪みの原因はいくつかありますが、大まかに次のように分類できます。

非線形負荷: 高調波歪みの主な原因は、非線形負荷の存在です。これらの負荷は非正弦波で電流を流すため、電流波形が歪みます。非線形負荷の例としては、整流器、インバータ、可変速ドライブなどのパワーエレクトロニクス機器や、コンピュータ、蛍光灯、LEDランプなどの電子機器が挙げられます。これらのデバイスのスイッチング動作により高調波が発生し、それが電力システム全体に伝播する可能性があります。

パワーエレクトロニクスデバイス: 前述のように、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機器は、高調波の大きな発生源となります。これらのデバイスの急速なスイッチング動作により、システム全体に伝播する可能性のある高周波高調波が発生する可能性があります。さらに、これらのデバイスで使用される制御アルゴリズムにより、基本周波数の非整数倍である次数間高調波が発生する可能性があります。

磁気飽和: 変トランスやその他の誘導性デバイスの磁気飽和も高調波歪みを引き起こす可能性があります。トランスが飽和すると、磁化電流が非線形になり、高調波が発生します。この現象は、高負荷状態または変圧器が過電圧にさらされているときに発生する可能性が高くなります。

共振: 電力システムの固有周波数が1つ以上の高調波周波数と一致すると、電力システムで共振が発生する可能性があります。これにより高調波増幅を引き起こし、高調波歪みのレベルが大幅に増加する可能性があります。共振は、トランス、コンデンサバンク、伝送線路などのシステムの誘導性部品と容量性部品間の相互作用により発生する可能性があります。

故障と非対称条件: 短絡などの故障、または不均衡な負荷などの非対称状態も、高調波歪みを引き起こす可能性があります。このような状況では、非正弦波の電流と電圧が発生し、高調波が発生する可能性があります。

高調波歪みの種類

高調波歪みは電力システム内でさまざまな形で現れる可能性があります。さまざまな種類の高調波歪み、つまり電圧高調波と電流高調波は、それぞれ電力品質と電気機器の動作に独自の影響を及ぼします。

電圧高調波: 電圧高調波は、基本周波数の倍数で発生する電圧波形の歪みです。これらの歪みは一般に、正弦波電圧源から非正弦波電流を引き出す非線形負荷によって発生します。電圧の高調波は、電気機械の損失や発熱の増加、保護装置の誤作動、繊細な電子機器の誤動作など、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。

電流の高調波: 電流の高調波は電流波形の歪みであり、多くの場合、非線形負荷によって生成されます。これらの負荷は、滑らかな正弦波ではなくパルスで電流を流し、高調波電流を生成します。これらの高調波電流は、中性線、トランス、モータの過熱を引き起こし、機器の早期故障につながる可能性があります。

調和指数と測定

高調波歪みの存在と影響は、さまざまな高調波指標を使用して測定されます。最も一般的な測定には、全高調波歪み (THD) と個別高調波歪み (IHD) が含まれます。

全高調波歪み (THD): THDは、純粋な正弦波と比較した電圧または電流波形の歪みを測定します。これは、存在するすべての高調波を考慮したグローバルインデックスであり、基本波のパーセンテージとして表されます。THDは電圧波形と電流波形の両方に対して計算できます。THD値が高いということは歪みの度合いが高いことを示し、電気機器や装置の動作に悪影響を及ぼす可能性がありおます。

個別高調波歪み (IHD): THDは歪みの全体的な尺度を提供しますが、個々の高調波の寄与に関する情報は提供しません。IHDは、各高調波の振幅を基本周波数の割合として決定するために使用されます。この情報は、軽減のために特定の高調波発生源を特定して、対象にする場合に非常に重要です。