高調波問題を発生源で解決する方法

通常の可変周波数ドライブ (VFD) は、入力と出力の両方で高調波を生成します。 モーター (出力) 側では、VFD がパルス幅変調 (PWM) 信号で正弦波をエミュレートします。 2 つの信号の違いを画像 1 に示します。PWM 信号は方形波と純粋な正弦波の間のどこかにあります。 PWM 信号の二乗特性は、通常の VFD で一般的に使用される集積ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) のスイッチング周波数が制限されていることに起因します。 高調波は、PWM 信号の避けられない残念な副産物です。

VFD のグリッド (入力) 側でも状況は同様です。 通常の VFD で使用されるダイオード ブリッジ アーキテクチャは、電圧波形のピークで非線形に電流を引き込みます。 結果として生じる電流波形 (画像 2) には高調波成分が多く含まれており、配電網に伝播して戻されます。 通常の 6 パルス VFD では、VFD のグリッド側とモーター側の両方で 80% の範囲の全高調波電流歪み (THDi) が発生することは珍しくありません。

定義上、高調波は基本周波数の整数倍で発生します。 たとえば、60 ヘルツ (Hz) システムでは、2 番目 - 120 Hz、3 番目 - 180 Hz、4 番目 - 240 Hz、5 番目 - 300 Hz などの高調波が発生します。各高調波はさらに、正相、負相、ゼロ相に分類できます。シーケンスコンポーネント。 正の系列の高調波 (4 次、7 次、10 次、13 次、19 次など) は、基本周波数と同じ回転ベクトルを持ちます。 名前が示すように、負の数次高調波 (2 番目、5 番目、8 番目、11 番目、14 番目など) は基本波とは逆方向に回転します。 ゼロ シーケンス コンポーネント (3 番目、6 番目、9 番目、12 番目、15 番目など) には回転ベクトルがありません。

通常の VFD のモーター出力に高調波が含まれているということは、モーターの総二乗平均平方根 (RMS) 電流が基本波電流よりも大幅に大きいことを意味します。 この過剰電流は銅損失とコア (鉄) 損失の増加として現れ、それによってモーター自体の内部の熱が増加します。 短期的には、過剰な熱が熱的迷惑トリップを引き起こし、動作に直接支障をきたす可能性があります。 長期的には、過剰な熱によりモーターの絶縁が劣化し、早期故障につながります。

高調波に関する懸念は、過剰な RMS 電流に限定されません。 高調波によって引き起こされる渦電流によって生成される電圧の変化率 (dv/dt) が速いため、個々のモーター巻線間、およびベアリングとベアリング軌道の間の両方でアーク放電が発生する可能性があります。 前者はモーターの絶縁を劣化させ、後者はベアリングのピッチングや潤滑油の故障を引き起こします。 個々の高調波の相対的な大きさは、モーターの性能と寿命に影響を与える可能性があります。 上で述べたように、逆相高調波は基本波とは逆方向に動作し、大きな渦電流によってローターが加熱される可能性があります。

さらに、隣接する正と負の高調波電流間の相互作用によって脈動トルクや機械振動が発生し、動作効率が低下する可能性があります。 モーターと同様に、配電システムに高調波が存在するということは、施設内で導体を大きくしなければならないことを意味し、追加の設備投資が必要となり、その後の拡張や再構成のオプションが制限されます。 電気ネットワークに接続されている他の機器は、過度の加熱、早期摩耗、早期故障の可能性があります。

詳細は機器の種類によって異なります。 例としては、変圧器内の過度の加熱、照明負荷の目に見えるちらつき、または敏感な負荷の損傷などがあります。 電力会社は、過剰高調波が配電網にどのような悪影響を与えるかを痛感しています。 ほとんどの場合、ユーザーは電気電子学会 (IEEE) 519 で指定された制限に従う必要があり、共通結合点で THDi が 5% を超えてはいけないことが要求されます。 遵守しない者には金銭的罰則が科せられます。

高 THDi に関連する多くの問題を考慮して、メーカーはモーターと電気ネットワークの両方に対する影響を軽減する方法を開発しました。 ただし、これらすべての緩和策には、資本投資の増加、システム効率の低下、物理的設置面積の増大、継続的なメンテナンスコストという代償が伴います。

たとえば、VFD とモーターの間に正弦波フィルターを設置すると、高調波が減少します (除去はされません) ので、上で説明した種類の損傷を軽減するのに役立ちます。 同様に、VFD と配電網の間にライン リアクトルまたはパッシブ フィルタを設置すると、系統に放出される高調波成分が減少します。

残念ながら、ラインリアクトルは THDi を 80% から 40% に低減するだけであり、IEEE 519 で指定されている 5% 要件を満たすには十分ではありません。パッシブ高調波フィルタは、適切に調整され、適切に維持されていれば、IEEE 519 の制限を満たすことができます。ただし、スペース、時間、システム効率、継続的なメンテナンスが犠牲になります。

一般に、問題を後で軽減しようとするよりも、問題の原因を取り除く方が良いでしょう。 入力と出力の両方で THDi が低い VFD により、通常のドライブで必要となる高価で複雑な緩和策が不要になります。

最近、一部のドライブ メーカーは、この課題に対処するために、新世代のワイドバンドギャップ (WBG) 半導体技術、つまり炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) を活用し始めています。 WBG 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) は、通常の IGBT を超えてスイッチング速度の劇的な向上を促進します。 アクティブ フロント エンド (AFE) アーキテクチャに導入されたこのタイプのドライブ入力の THDi は、IEEE 519 の 5% 制限を満たしています。

同様に、モーター側の真正弦波出力によりモーターの摩耗が軽減されます。 WBG ベースのドライブのその他の利点としては、ドライブとシステムの効率の向上、設置サイズの縮小、低コストの汎用モーターによるモーター寿命の延長、フィルターのメンテナンス不要、拡張の容易さ、全体の設置コストの削減、システムの複雑さの軽減などが挙げられます。

Geoff Hyatt は、SmartD Technologies のプロジェクト管理およびサプライ チェーンのディレクターです。 彼は、電力品質監視や EN 50160 や IEEE 5100-4-30 などの規格への準拠のためのソリューションの開発など、配電業界で 25 年以上さまざまな立場で働いてきました。 詳細については、smartd.tech をご覧ください。