電気システムにおける高調波の原因は何ですか

電気システムにおける高調波は、交流システムで非正弦波形の電流または電圧を発生させる非線形負荷によって引き起こされます。高調波は、基本周波数以外の整数倍の周波数を持つ正弦波成分です。以下に、電気システムにおける高調波の主な原因をいくつか挙げます。

非線形負荷

非線形負荷とは、電流が電圧に対して線形関係になく、この種の負荷は電力システムで一般的であり、主なソースには以下のものがあります。

• 整流器：交流を直流に変換する装置で、例えば電源アダプターや周波数変換器などがあります。

• スイッチング電源：現代の電子機器で一般的に使用される電源で、例えばコンピュータの電源や携帯電話の充電器などがあります。

• インバータ：直流を交流に変換する装置で、太陽光発電システムや電気自動車の充電ステーションなどで一般的に見られます。

• 可変周波数ドライバー：モーターの速度を制御する装置で、産業自動化分野で広く使用されています。

• アーク溶接機：溶接プロセス中に非線形の電流が生成されます。

• ガス放電灯：蛍光灯や高圧ナトリウム灯などは、起動時や動作時に高調波を生成します。

パワーエレクトロニクス機器

現代の電力システムで広く使用されているパワーエレクトロニクス機器も、高調波の重要な源となっています。

• 周波数変換器：交流モーターの速度とトルクを制御するために使用され、その動作原理により高調波が生成されます。

• UPS（無停電電源装置）：バッテリー供給モードに切り替わる際に高調波が生成されます。

• 変換器：風力発電で使用されるような交流の周波数を変更する装置です。

モータとトランスフォーマー

伝統的なモータやトランスフォーマーでも、磁気飽和効果などの理由により微小な高調波が発生することがあります。

• モータ：特に起動フェーズでは、非線形の磁化曲線の影響により高調波が生成されることがあります。

• トランスフォーマー：トランスフォーマーが飽和領域で動作すると、高調波が生成されます。

電力網自体の問題

• 不均衡負荷：三相システムでの不均衡負荷は、中性線の電流に高調波を含むことがあります。

• 長距離送電：長距離送電の過程で、線路のインダクタンスとキャパシタンスの効果により高調波が増幅されることがあります。

その他の要因

• 電力設備の劣化：古い電力設備では、内部部品の劣化により追加の高調波が生成されることがあります。

• 設計上の欠陥：設計が不十分な電力システムでは、高調波の増幅や生成につながることがあります。

高調波の影響

高調波は、電力システムに様々な悪影響を及ぼす可能性があり、以下のような影響が含まれます。

• 機器の損失増加：高調波はモータ、トランスフォーマー、その他の機器の追加損失を引き起こし、寿命を短縮します。

• システム効率の低下：高調波はシステム効率を低下させ、エネルギー消費量を増加させます。

• 測定精度への影響：高調波はエネルギーメーターの測定精度を妨害し、電力料金の計算が誤って行われることがあります。

• 通信システムへの干渉：高調波は通信システムに干渉し、信号伝送の品質に影響を与えます。

• 共振の引き金：ある場合、高調波はシステム内のインダクターやキャパシターと共振し、重大な電力品質問題を引き起こすことがあります。

高調波抑制対策

高調波の影響を軽減するために、通常以下の対策が取られます。

• フィルタ：パッシブまたはアクティブフィルタを設置して、高調波を吸収または相殺します。

• 負荷のインダクタンス増加：負荷のインダクタンスを増加させて高調波を抑制します。

• 負荷特性の改善：低高調波含量の負荷を使用します。例えば、単相整流器ではなく三相整流器を使用します。

• 動的無効電力補償：SVG（静止無効電力発生装置）などの機器を使用して動的無効電力補償を行います。

まとめ

電気システムにおける高調波は主に、整流器、スイッチング電源、インバータ、可変周波数ドライバーなどの非線形負荷によって引き起こされます。高調波は電力システムの性能と信頼性に悪影響を与えるため、適切な対策を講じて高調波を抑制または排除する必要があります。