パッシブフィルタリングの原理

パッシブフィルタは、電力システムにおける高調波除去に不可欠な役割を果たします。これらのフィルタは電気回路理論の基本原理に基づいて動作し、抵抗器、インダクタ、コンデンサの特性動作を利用して、不要な周波数を選択して除去します。

パッシブフィルタは、望ましいフィルタリング効果を実現するためにさまざまな構成で配置された抵抗器、コンデンサ、インダクタの組み合わせです。パッシブフィルタの主な機能は、特定の周波数を通過させながら、他の周波数を阻止または減衰させることです。これは主に、コンデンサとインダクタの周波数依存インピーダンス特性を利用することによって実現されます。

コンデンサとインダクタは周波数に対して異なるインピーダンス特性を示します。コンデンサのインピーダンス (Z) は周波数 (f) と静電容量 (C) に反比例し、Z = 1/ (2πfC) で表されます。周波数が高くなるとインピーダンスが減少するため、コンデンサは低周波信号を「ブロック」し、高周波信号を「通過」させる傾向があります。一方、インダクタのインピーダンスは周波数とインダクタンス (L) に正比例し、Z = 2πfLで表されます。インダクタは、低周波信号を「通過」させ、高周波信号を「ブロック」する傾向があります。

電力システムの場合、パッシブフィルタは通常、基本周波数を通過させながら高調波周波数を「ブロック」または「トラップ」するように設計されています。これは通常、フィルタのインピーダンスが高調波周波数では高くなり、基本周波数では低くなるように設計することによって実現されます。

パッシブフィルタが高調波を除去する効果は、その設計と電力システム内での配置によって異なります。設計では、目的のフィルタリング効果を実現するために、適切な抵抗、インダクタンス、および静電容量の値を選択します。電力システムにおけるフィルタの配置も重要であり、効果的に除去するためには、フィルタを高調波の発生源の近くに配置する必要があります。

パッシブフィルタは比較的シンプルでコスト効率に優れていますが、アクティブフィルタほど柔軟性が高くないので注意しましょう。システムの動作条件の変化により、パフォーマンスが影響を受ける可能性があります。したがって、効果的な運用を確実にするためには、慎重な設計と実装が必要です。

パッシブフィルタの種類

パッシブフィルタは、周波数応答特性と回路構成に基づいてさまざまなタイプに分類されます。高調波除去で一般的に使用されるパッシブフィルタの3つのタイプは、単一同調フィルタ、二重同調フィルタ、およびハイパスフィルタです。

単一同調フィルタ

フィルタ (直列フィルタとも呼ばれる) は、特定の周波数を通過させ、他のすべての周波数を減衰させます。このタイプのフィルタは、インダクタ (L) とコンデンサ (C) による直列共振回路で構成されます。回路の共振周波数 (fr) はLとCの値によって決まり、fr = 1/ (2π√LC) で表されます。共振周波数では、フィルタのインピーダンスが最小になり、対応する高調波が通過できるようになります。他のすべての周波数ではインピーダンスが高くなり、減衰します。単一同調フィルタは通常、電力システム内の特定の問題のある高調波をターゲットに設計されます。

図1は、単一同調フィルタの回路図と一般的なインピーダンス特性を示しています。

図1 : 単一同調フィルタ

二重同調フィルタ

二重同調フィルタは、2つの単一同調フィルタを組み合わせたものです。特定の2つの周波数を通過させ、他のすべての周波数を減衰させるように設計されています。このタイプのフィルタは、2つの重要な高調波を除去する必要がある場合に役立ちます。二重同調フィルタの設計では、2つの目標高調波周波数で共振するように、各共振回路のインダクタンスと静電容量の値を選択します。

図2は、単一同調フィルタの回路図と一般的なインピーダンス特性を示しています。

図2 : 二重同調フィルタ

ハイパスフィルタ

ハイパスフィルタは、特定のカットオフ周波数を超えるすべての周波数を通過させ、カットオフ周波数未満のすべての周波数を減衰させます。このタイプのフィルタは、抵抗器 (R) とコンデンサ (C) の直列回路で構成されます。カットオフ周波数 (fc) はRとCの値によって決まり、fc = 1/ (2πRC) で表されます。カットオフを超える周波数では、フィルタのインピーダンスが減少し、周波数が通過できるようになります。カットオフ以下の周波数では、フィルタのインピーダンスが増加し、周波数が減衰します。ハイパスフィルタは、除去する必要がある高次高調波が多数存在する電力システムで役立ちます。

図3は、単一同調フィルタの回路図と一般的なインピーダンス特性を示しています。

図3 : ハイパスフィルタ

パッシブフィルタの設計上の考慮事項

電力システムにおける高調波除去用のパッシブ フィルタを設計するには、フィルタの調整、フィルタの定格、インピーダンス、電力システムにおけるフィルタの配置など、いくつかの要素を慎重に考慮する必要があります。

フィルタチューニングとは、フィルタの誘導性部品と容量性部品の値を選択して、除去する必要がある高調波周波数でフィルタを共振させることを指します。チューニングプロセスは、フィルタが高調波周波数で最小のインピーダンスを提供し、高調波を効果的に除去するために重要です。たとえば、単一同調フィルタの共振周波数はfr = 1/ (2π√LC) で表されます。ここで、Lはインダクタンス、Cは静電容量です。二重同調フィルタの場合、2組のLC回路が2つの異なる周波数で共振するように同調されます。

フィルタの定格は、フィルタのパフォーマンスを低下させたり損傷させたりすることなくフィルタが処理できる最大電流または電圧を定義します。これは、フィルタで使用される誘導性部品と容量性部品の電力定格によって決まります。共振周波数でのフィルタインピーダンスは、高調波電流がフィルタを通過できるように低くする必要があり、基本周波数では高調波電流がフィルタに分流されないように高くする必要があります。フィルタインピーダンスを正確に計算することは、不要な電力損失を引き起こすことなくフィルタが意図したとおりに機能することを保証するために不可欠です。

電力システムにおけるフィルタの配置も、設計上の重要な考慮事項です。理想的には、フィルタは高調波の発生源にできるだけ近い位置に配置する必要があります。これにより、高調波電流が電力システムを介して伝播するのを防ぎ、損失の増加、他の機器への干渉、電力品質の低下などの高調波関連の問題が発生する可能性を軽減できます。さらに、フィルタは、電力フローの問題を引き起こしたり、電力システムの安定性を損なったりすることなく、高調波を効果的に緩和できる場所に配置する必要があります。