- 電気系統の調和とは何ですか？
- なぜ電力システムの高調波を排除する必要があるのですか？
- 高調波フィルターの種類
- パッシブハーモニックフィルター
- アクティブハーモニックフィルター
- 高調波フィルターの選び方
電気系統の調和とは何ですか？
電力システムでは、高調波は基本周波数の正の整数倍として定義されます。高調波は、基本周波数の倍数で発生する電圧または電流です。電力線のノイズと見なされることがよくあります。
電力系統の高調波は、電流高調波と電圧高調波の2つのタイプに分類できます。
電流高調波かかるのVSD（可変速ドライブ）などの非線形負荷によって誘導されます。非線形負荷は、完全な正弦波形ではない電力線から電流を引き出します。非正弦波の電流波形は、電力線の基本周波数の整数倍で振動する可能性のある単純な正弦波の複雑なシリーズにすることができます。
ほとんどの場合、電圧高調波は電流高調波によって引き起こされます。電圧高調波は、ソースインピーダンスとの電流高調波の影響によって生成される歪んだ電圧が原因で発生します。
上の画像は、非線形負荷の両端の不良電流波形を示しています。ここでは、歪んだ電流波形は正弦波に追随していません。これは、電力システムの現在の高調波を示しています。
なぜ電力システムの高調波を排除する必要があるのですか？
電流と電圧の高調波は、負荷へのノイズの多い電力伝達に正比例します。さまざまな家庭用およびオフィス用機器が、電力システムの高調波に関与しています。電力システムの高調波は、多くの場合、負荷電流を増加させます。工場や家やオフィスの蛍光灯のようなさまざまな機器は、高調波の影響を受け、さまざまな誤動作に悩まされています。モーターは、電力システムの高調波の影響を大きく受けます。
電力システムの高調波は非常に危険であり、機器に供給される電力が増加し、負荷の温度が上昇し、機器の寿命が短くなる場合があります。
この電力システムの高調波を克服するには、電力接続を再構築して非線形負荷を駆動し、電力システムに高調波フィルターを導入する必要があります。
高調波フィルターの種類
高調波フィルターは、高価な電気機器を高調波による歪んだ電力出力から保護するのに非常に効果的です。電気および電子機器市場では、定格電力、印加電圧、単相または3相、およびその他の負荷に依存するパラメータに応じて、さまざまなタイプの高調波フィルタを利用できます。
ただし、使用可能な高調波フィルタには、パッシブ高調波フィルタとアクティブ高調波フィルタの2つの主要なタイプがあります。
これら2種類の高調波フィルターの主な違いは、フィルターの設計に使用されるコンポーネントです。受動高調波フィルタは、主に抵抗、インダクタ、コンデンサなどの単純な受動部品を使用します。一方、アクティブ高調波フィルターは、さまざまなタイプのBJT、IGBT、MOSFET、集積回路などのアクティブコンポーネントを使用します。
高調波フィルターは電線安全装置であるため、IEEE、EN、AS、BS、引受会社の研究所のULマークなどの国際安全基準を確認する必要があります。
また、高調波フィルターはさまざまな順序で設計できます。3次のように、高調波フィルターは基本周波数の3倍である周波数をフィルターで除去できます。
パッシブハーモニックフィルター
パッシブ高調波フィルターは最も一般的で、簡単に入手できる高調波フィルターです。電力線の高調波外乱を抑制する手頃な価格のフィルターです。
前に説明したように、パッシブ高調波フィルターは、抵抗インダクタやコンデンサなどの標準的なパッシブコンポーネントを使用します。これらの受動部品は、タンク回路を形成するために使用されます。タンク回路は、不要な高調波に対して同じ共振周波数で動作できるように特別な方法で設計されています。パッシブ高調波フィルターは、通過する不要な高調波をブロックします。パッシブ高調波フィルターは、高調波電流を熱に変換し、エンドデバイスまたは負荷を保護します。フィルタは、高調波として除去する必要がある特定の周波数に調整できます。
使用されるパッシブ高調波フィルターには、主に4つのタイプがあります。
1.ハイパスフィルター
2.バンドパスフィルター
3.C型フィルターと
4.シリーズフィルター。
ハイパスフィルタ
ハイパスパッシブ高調波フィルターは、高次の高調波を除去し、広範囲の周波数を柔軟に制御するために使用されます。基本的なハイパス高調波フィルターの設計では、抵抗、コンデンサ、インダクタの3つの受動部品を使用します。
上の画像では、パッシブハイパス高調波フィルターの基本的な構造を見ることができます。この構造は、抵抗とインダクタが並列にコンデンサを直列に接続していることを示しています。このフィルターは、高周波範囲でフラットなインピーダンス特性を生成します。高周波は電力損失を減らします。
このタイプのフィルタは、主に5次/ 6次以上の電流をフィルタリングするために使用されます。多くの場合、さまざまなフィルターをハイパス高調波フィルターと組み合わせて、低次または低周波数のアプリケーションで使用する場合の電力損失を排除します。
周波数によるインピーダンス曲線を下の画像に示します。
バンドパスフィルター
バンドパス高調波フィルターは、ダブルチューンドフィルターです。帯域高調波フィルタは、二つのキャパシタ、二つのインダクタ、および単一の抵抗器から成ります。また、高次高調波ろ過の目的にも使用されます。このフィルターは、標準のバンドパスフィルターの並列共振とインダクターとコンデンサーの直列共振を組み合わせて動作します。
上の画像では、基本的なバンドパスフィルターの回路図が示されています。フィルタ回路は、2つの部分があり、中に最初の部分で、一方のコンデンサC2とインダクタL2が直列に接続された第二の部分の抵抗、インダクタ、及びキャパシタが並列に接続されています。第1部と第2部も直列に接続されています。
周波数によるインピーダンス特性を下のグラフに示します。
C型フィルター
Cタイプのフィルターは、2次または3次の高調波ろ過などの低次の目的で使用されます。Cタイプのフィルターは、同等のバンドパスまたは直列フィルターよりも損失が少なくなります。
Cタイプのフィルタは、4つの受動部品（2つのコンデンサ、インダクタ、および1つの抵抗）で構成されています。
上の画像では、c型フィルターの基本的な構成を示しています。コンデンサはインダクタと直列に接続され、インダクタは抵抗と並列に接続されます。3成分並列接続は、2番目のコンデンサと直列に接続されています。
抵抗は、発振インダクタとコンデンサによって生成される基本電流を抑制します。
インピーダンス曲線は下の画像に示されています-
シリーズフィルター
直列フィルターは、シングルチューンドハーモニックサプレッサーパッシブフィルターと呼ばれます。このフィルターは、最も単純な構造特性を備えています。直列に使用されるのは、1つのコンデンサ、インダクタ、抵抗の3つの受動部品のみです。このフィルターは単一周波数を排除します。
このフィルターの構造を下の画像に示します。ここでは、3つの受動部品が直列に接続されて、単一の調整された直列高調波フィルターを形成しています。
インピーダンス特性を下の画像に示します-
アクティブハーモニックフィルター
前に説明したように、パッシブ高調波フィルターは、電力線に関連する高調波を除去するのに適しています。ただし、パッシブ高調波フィルタの設計は非常に複雑であり、設計者は負荷の無効電力要件に従ってパッシブ高調波フィルタを設計する必要があります。このような場合、パッシブフィルタの設計は非常に困難であり、特定の負荷条件で力率の動作が低下します。
この点で、アクティブフィルタは、基本周波数の無効電力依存性なしに電力線の高調波を処理するのに適しています。
アクティブ高調波フィルターは、フィルターが自己生成高調波成分を使用し、これを電力線に注入して不要な高調波をキャンセルする優れた方法を使用します。
あり利用できるアクティブフィルタの異なるタイプの電源ラインの高調波を除去するために異なるトポロジを使用しています。
最も一般的なアクティブ高調波フィルターの設計では、次のような基本的なものを使用します。
1.各種電源スイッチを使用した電圧源インバータ
2.電力線からのサンプリングと制御基準
3.PWM発火パルスを高調波としてシステムに注入するPWMシステム。
アクティブハーモニックフィルターは、動作に電力を必要とする別の種類の半導体スイッチを使用します。
高調波フィルターの選び方
完全な高調波フィルターを決定するのは非常に難しいです。フィルタを調整する必要がある高調波周波数を特定する必要があります。いくつかのケースでは、高調波が存在しない特定の基本周波数でのチューニングが間違っているという理由だけで、フィルター操作が目的を果たせないことがあります。
最初の重要なステップは、高調波の順序を識別することであると選択するフィルタの必要性が高調波次数に応じ。単一周波数の高調波歪みを除去するには、直列高調波フィルターが効率的ですが、場合によっては、複同調高調波フィルターを使用する必要があります。
フィルタ全体の損失も補償する必要がありますが、これはフィルタの選択に大きく依存します。高レベルの非線形負荷の場合、アクティブとパッシブの両方のタイプの高調波フィルターが必要になることがあります。