マサチューセッツ工科大学（MIT）の数学者アーサー・マタック氏はかつて「非線形性は解決が難しいことを意味する」と語った。しかし、非線形性が電気負荷に適用される場合には、高調波電流が発生し、配電に悪影響を及ぼし、コストがかかるため、この問題に対処する必要があります。ここでは、モーターおよびドライブ技術の世界的なメーカーおよびサプライヤーである WEG のヨーロッパおよび中東マーケティング マネージャーのマレク・ルカシュチク氏が、インバーター アプリケーションの高調波を軽減する方法について説明します。
蛍光灯、スイッチング電源、電気炉、整流器、周波数変換器。これらはすべて、非線形負荷を持つデバイスの例です。これは、デバイスが突然の短いパルスの形で電圧と電流を吸収することを意味します。これらは、モーター、スペース ヒーター、通電されている変圧器、白熱電球などの線形負荷を持つデバイスとは異なります。線形負荷の場合、電圧波形と電流波形の関係は正弦波であり、電流は常にオームの法則で表される電圧に比例します。
すべての非線形負荷に関する問題の 1 つは、高調波電流が発生することです。高調波は、通常、電源の基本周波数よりも高い 50 ヘルツ (Hz) または 60 ヘルツ (Hz) の周波数成分であり、基本電流に追加されます。これらの余分な電流はシステム電圧波形の歪みを引き起こし、力率を低下させます。
電気システム内を流れる高調波電流は、他の負荷との相互接続点での電圧歪みやケーブルの過熱など、他の望ましくない影響を引き起こす可能性があります。このような場合、全高調波歪み (THD) 測定により、電圧または電流の歪みのどの程度が高調波によって引き起こされているかを知ることができます。
この記事では、エネルギー品質の問題を引き起こす現象の正しい監視と解釈に関する業界の推奨事項に基づいて、インバータ アプリケーションで高調波を削減する方法を検討します。
英国は、送電システムおよび配電ネットワークにおける高調波電圧歪みを管理するための優れた実践例として、エネルギーネットワーク協会 (ENA) のエンジニアリング勧告 (EREC) G5 を使用しています。欧州連合では、これらの推奨事項は通常、IEC 60050 などのさまざまな国際電気標準会議 (IEC) 規格を含む電磁適合性 (EMC) 指令に含まれています。IEEE 519 は通常、北米の規格ですが、IEEE が519 は、個々のデバイスではなく分散システムに焦点を当てています。
シミュレーションまたは測定によって高調波レベルが決定されると、高調波レベルを最小限に抑えて許容範囲内に保つためのさまざまな方法があります。しかし、許容範囲はどれくらいでしょうか?
すべての高調波を除去することは経済的に実現可能ではない、または不可能であるため、高調波電流の最大値を指定することによって電源電圧の歪みを制限する 2 つの EMC 国際規格が存在します。これらは、定格電流が各相最大 16 A (A) かつ 75 A 以下の機器に適した IEC 61000-3-2 規格と、16 A を超える機器に適した IEC 61000-3-12 規格です。
電圧高調波の制限は、共通結合点 (PCC) の THD (V) を 5% 以下に保つ必要があります。PCC は、配電システムの導体が顧客の導体に接続され、顧客と配電システム間の電力伝送が行われるポイントです。
多くのアプリケーションでは、5% 以下の推奨値が唯一の要件として使用されています。このため、多くの場合、6 パルス整流器と入力リアクタンスまたは直流 (DC) リンク インダクタを備えたインバータを使用するだけで、最大電圧歪みの推奨事項を満たすのに十分です。もちろん、リンクにインダクタのない 6 パルス インバータと比較して、DC リンク インダクタを備えたインバータ (WEG 独自の CFW11、CFW700、CFW500 など) を使用すると、高調波放射を大幅に低減できます。
それ以外の場合、インバータ アプリケーションでシステム高調波を低減するためのオプションが他にもいくつかあります。それをここで紹介します。
高調波を低減する 1 つの解決策は、12 パルス整流器を備えたインバータを使用することです。ただし、この方法は通常、変圧器がすでに設置されている場合にのみ使用されます。同じ DC リンクに接続された複数のインバータの場合。または、新規設置でインバータ専用の変圧器が必要な場合。さらに、このソリューションは、通常 500 キロワット (kW) を超える電力に適しています。
もう 1 つの方法は、入力にパッシブ フィルターを備えた 6 パルスのアクティブ電流 (AC) 駆動インバーターを使用することです。この方法は、中電圧 (MV)、高電圧 (HV)、超高圧 (EHV) の間のさまざまな電圧レベル、高調波電圧を調整でき、互換性をサポートし、顧客の敏感な機器への悪影響を排除します。これは高調波を低減するための従来のソリューションですが、熱損失が増加し、力率が低下します。
これにより、高調波を削減するためのよりコスト効率の高い方法が得られます。18 パルス整流器を備えたインバータ、または特に 18 パルス整流器と移相変圧器を介した DC リンクによって電力供給される DC-AC ドライブを使用します。パルス整流器は、12 パルスでも 18 パルスでも同じソリューションです。これは高調波を低減するための伝統的なソリューションですが、コストが高いため、通常は変圧器が設置されている場合、または新規設置でインバーター用の特別な変圧器が必要な場合にのみ使用されます。電力は通常 500 kW を超えます。
高調波抑制方法の中には、熱損失を増加させて力率を低下させるものもありますが、システムのパフォーマンスを向上させる方法もあります。私たちが推奨する良い解決策は、6 パルス AC ドライブで WEG アクティブ フィルターを使用することです。これは、さまざまなデバイスによって生成される高調波を除去するための優れたソリューションです
最後に、電力をグリッドに回生できる場合、または複数のモーターが単一の DC リンクで駆動される場合、別のソリューションが魅力的です。つまり、アクティブ フロント エンド (AFE) 回生ドライブと LCL フィルターが使用されます。この場合、ドライバは入力にアクティブ整流器を備えており、推奨制限に準拠しています。
WEG 独自の CFW500、CFW300、CFW100、MW500 インバーターなど、DC リンクのないインバーターの場合、高調波を低減する鍵はネットワーク リアクタンスです。これにより、高調波の問題が解決されるだけでなく、エネルギーがインバータの無効部分に蓄積されて無効になるという問題も解決されます。ネットワーク リアクタンスの助けを借りて、共振ネットワークによって負荷された高周波単相インバーターを使用して、制御可能なリアクタンスを実現できます。この方法の利点は、リアクタンス素子に蓄積されるエネルギーが少なく、高調波歪みが少ないことです。
高調波を処理する実際的な方法は他にもあります。1 つは、非線形負荷に比べて線形負荷の数を増やすことです。もう 1 つの方法は、線形負荷と非線形負荷の電源システムを分離して、5% ～ 10% の間で異なる電圧 THD 制限が存在するようにすることです。この方法は、非線形および共振プラントおよび機器の高調波電圧歪みを評価するために使用される、前述のエンジニアリング勧告 (EREC) G5 および EREC G97 に準拠しています。
別の方法は、より多くのパルスを備えた整流器を使用し、それを複数の二次段を備えた変圧器に供給することです。複数の一次または二次巻線を備えた多巻線変圧器は、特殊なタイプの構成で相互に接続して、必要な出力電圧レベルを提供したり、出力で複数の負荷を駆動したりすることができるため、配電および柔軟性の高いシステムでより多くのオプションが提供されます。
最後に、前述したＡＦＥの回生駆動動作である。基本的な AC ドライブは再生可能ではありません。つまり、エネルギーを電源に戻すことができません。アプリケーションによっては、戻されたエネルギーを回収することが特定の要件であるため、これだけでは特に十分ではありません。回生エネルギーを AC 電源に戻す必要がある場合、これが回生ドライブの役割です。単純な整流器は AFE インバーターに置き換えられ、この方法でエネルギーを回収できます。
これらの方法は、高調波に対処するためのさまざまなオプションを提供し、さまざまなタイプの配電システムに適しています。しかし、さまざまな用途でエネルギーとコストを大幅に節約し、国際規格に準拠することもできます。これらの例は、正しいインバーター技術が使用されている限り、非線形性の問題を解決するのは難しくないことを示しています。
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